Строение и состав земной коры

На материках на глубине более 35-70км скорость распространения сейсмических волн скачкообразно возрастает с 6,5-7 до 8км/с. Причины роста скорости волн полностью не выяснены. Полагают, что на этой глубине происходит изменение как элементарного, так и минерального состава вещества. Глубина, на которой происходит скачкообразное изменение скорости сейсмических волн, получила название границы Мохоровичича (по имени открывшего её сербского учёного). Иногда сокращенно её именуют «границей Мохо» или М. Принято считать, что граница Мохо является нижней границей земной коры (и верхней границей мантии). Наибольшую мощность земная кора имеет под горными хребтами (до 70км), наименьшую – на дне океанов (5-15км).

В пределах земной коры скорость распространения сейсмических волн также неодинакова. Выделена граница Конрада, отделяющая верхнюю часть земной коры, по составу близкую гранитоидам (гранитный слой), от нижнего более тяжелого базальтового слоя. Гранитный и базальтовый слои геофизиков нетождественны по составу гранитам и базальтам. Они только похожи на эти породы по скорости распространения сейсмических волн. Некоторые учёные считают, что земная кора имеет более сложное строение. Так, в земной коре Казахстана выделяют четыре основных слоя:

1. Седиментный, или вулканогенно-осадочный, мощностью от 0 до 12км (в Прикаспии).

2. Гранитный слой мощностью 8-18км.

3. Диоритовый слой мощностью 5-20км (выделяется не повсеместно).

4. Базальтовый слой мощностью 10-15км и более.

Граница Мохо залегает в Казахстане на глубине 36-60км.

В Южном Забайкалье также выделяются гранито-осадочный, диорито-метаморфический и базальтовый слои.

Распространенность химических элементов в земной коре. В 80^-е годы 19-го века проблемой определения среднего состава земной коры стал систематически заниматься Ф.У.Кларк (1847-1931) – руководитель химической лаборатории американского геологического комитета в Вашингтоне.

Он в 1889г определил среднее содержание 10 химических элементов. Он считал, что образцы горных пород дают представление о верхней оболочке Земли толщиной в 10 миль (16км). В земную кору Кларк включал также всю гидросферу (Мировой океан) и атмосферу. Однако масса гидросферы составляет лишь несколько процентов, а атмосферы – сотые доли процента от массы твёрдой земной коры, поэтому цифры Кларка в основном отражали состав последней.

Были получены следующие числа:

Кислород – 46,28

Кремний – 28,02

Алюминий – 8,14

Железо – 5,58

Кальций – 3,27

Магний – 2,77

Калий – 2,47

Натрий – 2,43

Титан – 0,33

Фосфор – 0,10...

Σ = 99,39%

В 1908г Кларк опубликовал известную монографию "The data of Geochemistry", в которой собрал и обобщил данные по химическому составу различных образований земной коры (горных пород, вод и т.д.). Продолжая исследования, Кларк неуклонно увеличивал точность определений, число анализов, количество элементов. Если его первая сводка 1889г содержала лишь 10 элементов, то в последней, опубликованной в 1924г (совместно с Г.Вашингтоном), были уже данные о 50 элементах. Отдавая должное трудам Кларка, свыше 40 лет посвятившего определению среднего состава земной коры, А.Е.Ферсман в 1923г предложил термином «кларк» обозначать среднее содержание химического элемента в земной коре, какой-либо её части, Земле в целом, а также в планетах и других космических объектах.

Современные методы – радиометрия, нейтронно-активационный, атомно-абсорбционный и другие анализы позволяют с большой точностью и чувствительностью определять содержание химических элементов в горных породах и минералах. По сравнению с началом XXв количество данных возросло во много раз.

Кларки самых распространенных изверженных кислых пород, слагающих гранитный слой земной коры, установлены достаточно точно, много данных и о кларках основных пород (базальтов и др.), осадочных пород (глин, сланцев, известняков и т.д.). Сложнее вопрос о среднем составе земной коры, так как до сих пор точно неизвестно, каково соотношение между различными группами горных пород, особенно под океанами. А.П.Виноградов, предположив, что земная кора на ⅔ состоит из кислых пород и на ⅓ из основных, вычислил её средний состав. А.А.Беус, исходя из соотношения мощности гранитного и базальтового слоев (1:2), установил иные, кларки.

Представления о составе базальтового слоя весьма гипотетичны. По А.А.Беусу, его средний состав (в %) близок к диоритам:

O – 46,0 Ca – 5,1

Si – 26,2 Na – 2,4

Al – 8,1 K – 1,5

Fe – 6,7 Ti – 0,7

Mg – 3,0 H – 0,1

Mn – 0,1 P – 0,1

Данные свидетельствуют о том, что почти, половина твёрдой земной коры состоит из одного элемента – кислорода. Таким образом, земная кора – это «кислородная сфера», кислородное вещество. На втором месте стоит кремний (кларк 29,5), на третьем алюминий (8,05). В сумме эти элементы составляют 84,55%. Если к ним добавить железо (4,65), кальций (2,96), калий (2,50), натрий (2,50), магний (1,87), титан (0,45), то получится 99,48%, т.е. практически почти вся земная кора. Остальные 80 элементов занимают менее 1%. Содержание большинства элементов в земной коре не превышает 0,01-0,0001%. Такие элементы в геохимии принято называть редкими. Если редкие элементы обладают слабой способностью к концентрации, то они именуются редкими рассеянными. К ним относятся Br, In, Ra, I, Hf, Re, Sc и другие элементы. В геохимии употребляется также термин "микроэлементы", под которыми понимаются элементы, содержащиеся в малых количествах (порядка 0,01% и менее) в данной системе. Так, алюминий – микроэлемент в организмах и макроэлемент в силикатных породах.

В земной коре преобладают легкие атомы, занимающие начальные клетки периодической системы, ядра которых содержат небольшое число нуклонов – протонов и нейтронов. Действительно, после железа (№26) нет ни одного распространённого элемента. Эта закономерность была отмечена ещё Менделеевым, отмечавшим, что распространённейшие в природе простые тела имеют малую атомную массу.

Другая особенность в распространении элементов была установлена итальянцем Г.Оддо в 1914г и более детально охарактеризована американцем В.Гаркинсом в 1915-1928гг. Они отметили, что в земной коре преобладают элементы с чётными порядковыми номерами и с чётными атомными массами. Среди соседних элементов у чётных кларки почти всегда выше, чем у нечётных. Для первых по распространённости 9 элементов массовые кларки чётных составляют в сумме 86,43%, а кларки нечётных – лишь 13,03%.

Особенно велики кларки элементов, атомная масса которых делится на 4. Это кислород, магний, кремний, кальций и т.д. Среди атомов одного и того же элемента преобладают изотопы с массовым числом, кратным 4. Такое строение атомного ядра Ферсман обозначил символом 4q, где q – целое число.

По Ферсману, ядра типа 4q слагают 86,3% земной коры. Итак, распространённость элементов в земной коре (кларки) в основном связана со строением атомного ядра – в земной коре преобладают ядра с небольшим и чётным числом протонов и нейтронов.

Основные особенности распространения элементов в земной коре заложились ещё в звездную стадию существования земной материи и в первые этапы развития Земли как планеты, когда сформировалась земная кора, состоящая из легких элементов. Однако из этого не следует, что кларки элементов геологически постоянны. Конечно, главные особенности состава земной коры и 3,5млрд. лет назад были те же, что и в наши дни, – в ней преобладали кислород и кремний, а золота и ртути было мало (п·10^-6 – п·10^-7%). Но кларки некоторых элементов все же изменились. Так, в результате радиоактивного распада стало меньше урана и тория и больше свинца – конечного продукта распада («радиогенный свинец» составляет часть атомов свинца земной коры). За счёт радиоактивного распада ежегодно образуются миллионы тонн новых элементов. Хотя эти величины сами по себе очень велики, по сравнению с массой земной коры они ничтожны.

Итак, основные особенности элементарного состава земной коры не менялись за время геологической истории: самые древние архейские породы, как и самые молодые, состоят из кислорода, кремния, алюминия, железа и других распространённых элементов. Однако процессы радиоактивного распада, космические лучи, метеориты, диссипация легких газов в мировое пространство изменили кларки ряда элементов.