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).

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.

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 кора отличается 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 Земли представляет 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 ядро состоит 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