Планета Земля - это уникальное творение Вселенной, хранящее множество загадок. На протяжении всех веков люди пытались узнать ее тайны и загадки: размеры, плотность Земли.
Разные народы мира называют планету по-разному: Земля, Гайя, Терра, Мир, голубая планета. Человечеству известно, что на планете обитает огромное множество самых разных удивительных форм жизни, но то, как она стала такой, не знает никто.
Размеры Земли
На снимках из космоса видно, что Земля имеет форму шара. Для того чтобы узнать плотность Земли, ее размер, применяют специальные формулы. Еще в третьем веке до нашей эры Эратосфен вывел формулу, по которой можно определить массу планеты. Наиболее точные данные дают градусные измерения. Для этого берутся две точки, расположенные на одной меридиане. Астрономически определяются их географические широты. Длина оконечностей дуги меридианы между этими точками в градусах будет равняться географической широте этих же точек. Обычно расстояние между ними составляет несколько сотен километров. Проведя все необходимые измерения, вычисляют, чему равен один градус в километрах. Однако такой метод применим только на ровной поверхности. Ввиду того что расстояние от одной точки до второй не видно, применяют метод триангуляции. Он заключается в построении треугольников, которые покрывают сетью вершин определенное пространство. С такой вершины видны другие сигнальные точки.
В современном мире для определения координат используют различные космические методы исследований. Их проводят искусственные спутники Земли, на которых установлена специальная аппаратура.
Для определения плотности Земли необходимо знать ее массу и объем. Этот показатель равен 5,5 х 10 3 кг/м 3 . С глубиной, плотность растет. По расчетам ученых, в центре планеты плотность равна 1,1 х 10 4 кг/м 3 . Такое увеличение отмечается из-за содержания тяжелых элементов и большого давления.
Ученые рассчитали, что масса планеты равна 5,972Е24 кг или 6,6 секстиллион тонн. По массе наша планета в три раза тяжелее Юпитера.
Плотность
Впервые плотность Земли была выявлена И. Ньютоном в 1736 году. Он доказал, что этот показатель находится в пределах от 5 до 6 г/см 3 . Последующие измерения позволили выявить более точные данные, которые получили название средней плотности планеты Земля. Эта величина превышает плотность верхних горизонтов земной коры, которая на основе многочисленных измерений выходит на поверхность горных пород и может быть определена более точно.
Вычислить плотность поверхности Земли ученым еще как-то удалось, а вот решить, каким будет это значение на глубине свыше 16 километров, невозможно. Для определения этих показателей учитывается скорость сейсмических волн, сила тяжести и ряд других параметров.
Средняя плотность
Средняя плотность Земли - это отношение массы земли к массе такого же объема дистиллированной воды при температуре 4 градуса. По этому принципу учеными доказано, что средняя плотность планеты Земля равна 5,52 г/см 3 .
Есть мнения, что Земля - это единственная планета во всей Вселенной со сложной формой жизни, хотя это утверждение пока не доказано. Почему-то ученые считают, что формы жизни могут развиваться только такими, которые привычно видеть людям на нашей планете, и никто не допускает, что есть формы, способные расти и развиваться при совершенно других условиях. Это утверждение полностью никто не опроверг, а значит, оно имеет право на существование. Хотя ученые мира выяснили много интересного о планете:
- Средняя плотность планеты Земля выше, чем у других планет.
- Среди планет земной группы только она имеет наибольшую гравитацию и наисильнейшее магнитное поле.
- Хотя все люди и представляют планету в форме ровного шара, на самом деле это не совсем так. Она больше похожа на два приплюснутых полукруга, имеющих выпуклости в зоне экватора. Эту особую форму связывают с вращением планеты.
- Изначально существовал один континент под названием Пангея. По мере движения земной коры образовались известные сегодня континенты.
- В защитном слое имеются озоновые дыры: самая крупная располагается над Антарктидой. Ее обнаружили в 2006 году.
Еще факты
- Стоя на одном месте, человек считает, что он стоит. На самом деле он двигается, но вместе с Землей. Это происходит из-за вращения планеты вокруг Солнца и вокруг своей оси. В зависимости от места, где стоит объект, скорость его движения в пространстве может составлять 1600 км/ч. На экваторе люди двигаются быстрее, а вот те, кто живет в северных и южный районах планеты, практически стоят на месте.
- Земля движется вокруг Солнца со скоростью 107826 км/ч.
- Считается, что возраст Земли около 4,5 млн лет.
- В центре планеты располагается магма.
- На планете происходят водные приливы и отливы. Это явление возникает из-за воздействия Луны - естественного спутника Земли.
- Самая холодная точка на планете - Антарктида. Здесь температура может опускаться до -80 и более градусов Цельсия.
- Некоторые ученые предполагают, что когда-то у Земли было два спутника.
На планете есть множество загадочных мест, где происходят странные явления. Ученые пытались их объяснить: что-то им раскрыть удалось, а что-то все так же остается тайной. Одной из таких тайн являются движущиеся камни на плато Плайя в США. На этом участке горные породы совершают перемещения по пескам, оставляя следы в виде борозд. Это уникальное явление не имеет аналогов, и нет другого места, где происходило бы подобное.
Есть мнения, что когда-то, планета была фиолетовой. Этот окрас ей придавали бактерии, проживающие на всей территории Земли. Позже планета стала зелено-голубой.
Факты: Земля-космос
От Солнца до Земли 150 млн км. Свет от нашего светила до поверхности планеты идет чуть больше восьми минут. И чем дальше звезда или планета от нас, тем больше света до нас доходит. К примеру, есть звезды, свет которых достигает до нас за тысячи лет. В результате этого мы видим «прошлое» звезд и планет. Даже солнце мы видим не в реальном времени, а такое, каким оно было восемь минут назад.
В космосе движется множество комет, космического мусора. Защитный слой Земли защищает нас от них: кометы и космическая пыль сгорают в верхних слоях атмосферы.
Немного размышлений
Как известно, средняя плотность планеты равна средней плотности Земли, т. е. эти показатели находятся в соотношении 1:1. Чтобы выяснить точные размеры: массу, вес и другие габариты, используют самые разные формулы.
Земля - это уникальная планета. Здесь есть множество неразгаданных тайн. Одной из загадок является то, что находится под поверхностью земли, в глубинах океанов, и какова плотность на глубине свыше семнадцати километров под поверхностью.
Ученых всего мира интересуют вопросы о возникновении Вселенной и ее истинном устройстве. Изучение космоса не дает ответы на все возникающие вопросы, но на некоторые уже нашлись ответы.
| Наименование параметра | Значение |
| Тема статьи: | Химический состав земной коры |
| Рубрика (тематическая категория) | Образование |
Литосферные плиты и дрейф континентов
Строение земной коры (континентальная и океаническая кора)
Самые верхние слои земной коры состоят преимущественно из пластов осадочных горных пород, образовавшихся путем осаждения различных мелких частиц, главным образом в морях и океанах. В этих пластах захоронены остатки животных и растений, населявших в прошлом земной шар.
Размещено на реф.рф
Οʜᴎ с течением времени превратились в окаменелости. Общая мощность (толщина) осадочных пород в редких случаях достигает 15-20 км. Средняя скорость распространения в них продольных колебаний от 2 до 5 км/с. Сейсмические волны распространяются в глубине Земли с различными скоростями на континентах и на дне океана. Отсюда ученые сделали вывод, что на Земле существует два главных типа твердой земной коры: континентальный и океанический.
Мощность коры континентального типа в среднем 30-40 км, а под горами достигает местами 70 км. Континентальная часть земной коры распадается на ряд слоев, число и мощность которых изменяются от района к району. Обычно ниже осадочных пород выделяют два главных слоя: верхний - гранитный, близкий по физическим свойствам и составу к граниту, и нижний - базальтовый (предполагается, что он состоит из более тяжелых пород, главным образом из базальта). Толщина каждого из этих слоев в среднем 15-20 км.
Океаническая кора тоньше - 3-7 км. По составу и свойствам она ближе к веществу базальтового слоя континентальной коры, т. е., видимо, состоит главным образом из базальта или других пород, богатых магнием и железом. Но данный тип коры свойствен только глубоким участкам дна океанов - не менее 4 тыс. м. На дне океанов есть области, где земная кора имеет строение континентального или промежуточного типа. Базальтовый слой отделяется от нижезалегающих пород поверхностью, получившей название поверхности Мохоровичича (по имени открывшего ее югославского ученого). Скорость сейсмических волн глубже этой поверхности сразу резко увеличивается до 8,2 км/с, что обусловлено, вероятно, изменением упругих свойств и плотности вещества Земли.
Литосфера состоит из: 7 больших, 7 малых и множества микроплит. Литосферные плиты постоянно движутся со скоростями от 1до 20 см/год. Изучение истории перемещения плит показало, что с периодом 500-600 миллионов лет блоки континентальной коры собираются в единый суперконтинент. Потом он распадается на континенты и цикл повторяется.
· Гондвана
· Лавразия
· Евразия
Химический состав земной коры был определен по результатам анализа многочисленных образцов горных пород и минералов, выходящих на поверхность земли при горообразовательных процессах, а также взятых из горных выработок и глубоких буровых скважин.
Сегодня земная кора изучена на глубину до 15-20 км. Она состоит из химических элементов, которые входят в состав горных пород.
Наибольшее распространение в земной коре имеют 46 элементов, из них 8 составляют 97,2-98,8 % ее массы, 2 (кислород и кремний) -75 % массы Земли.
Первые 13 элементов (за исключением титана), наиболее часто встречающиеся в земной коре, входят в состав органического вещества растений, участвуют во всех жизненно необходимых процессах и играют важную роль в плодородии почв. Большое количество элементов, участвующих в химических реакциях в недрах Земли, приводит к образованию самых разнообразных соединений. Химические элементы, которых больше всего в литосфере, входят в состав многих минералов (из них в основном состоят разные породы).
Отдельные химические элементы распределяются в геосферах следующим образом: кислород и водород заполняют гидросферу; кислород, водород и углерод составляют основу биосферы; кислород, водород, кремний и алюминий являются основными компонентами глин и песчаных пород или продуктов выветривания (они в основном составляют верхнюю часть коры Земли).
Химические элементы в природе находятся в самых различных соединениях, называемых минералами.
7.Минералы в земной коре – определение, классификация, свойства.
Земная кора состоит в основном из веществ, называемых минералами - от редких и чрезвычайно ценных алмазов до различных руд, из которых получают металлы для наших повседневных нужд.
Определение минералов
Часто встречающиеся минералы, такие как полевые шпаты, кварц и слюда, называются породообразующими. Это отличает их от минералов, которые находят только в небольших количествах. Кальцит - еще один породообразующий минерал. Он формирует известняковые породы.
В природе существует так много минералов, что минералогам пришлось выработать целую систему их определения, основанную на физических и химических свойствах. Иногда распознать минерал помогают очень простые свойства, к примеру, цвет или твердость, а порой для этого требуются сложные тесты в лабораторных условиях с применением реагентов.
Некоторые минералы, такие как лазурит (синий) и малахит (зеленый), можно распознать по цвету. Но цвет часто обманчив, потому что у многих минералов он довольно широко варьируется. Различия в цвете зависят от примесей, температуры, освещения, радиации и эрозии.
Классификация минералов
1. Самородные элементы
Около 90 минералов - 0,1% массы земной коры
Золото, платина, серебро - драгоценные металлы, медь - цветной металл, алмаз - драгоценный камень, графит, сера, мышьяк
2 . Сульфиды
Около 200 минералов - 0,25 % массы земной коры
Сфалерит - цинковая руда, галенит - свинцовая руда, халькопирит - медная руда, пирит - сырье для химической промышленности, киноварь - ртутная руда
3 . Сульфаты
Около 260 минералов, 0,1% массы земной коры
Гипс, ангидрит, барит - цементное сырье, поделочный камень и др.
4 . Галлоиды
Около 100 минералов
Галит - каменная соль, сильвин - калийное удобрение, флюорит - фторид
5 . Фосфаты
Около 350 минералов - 0,7% массы земной коры
Фосфорит - удобрение
6 . Карбонаты
Около 80 минералов, 1,8% массы земной коры
Кальцит, арагонит, доломит - строительный камень; сидерит, родохрозит - руды железа и марганца
7. Окислы
Около 200 минералов, 17% массы земной коры
Вода, лед; кварц, халцедон, яшма, опал, кремень, корунд -драгоценные и полудрагоценные камни; бокситовые минералы - руды алюминия, минералы руд железа, олова, марганца, хрома и др.
8. Силикаты
Около 800 минералов, 80% земной коры
Пироксены, амфиболы, полевые шпаты, слюды, серпентин, глинистые минералы - основные породообразующие минералы; гранаты, оливин, топаз, адуляр, амазонит - драгоценные и полудрагоценные камни.
Свойства
Блеск - весьма характерный признак многих минералов. В одних случаях он очень похож на блеск металлов (галенит, пирит, арсенопирит), в других - на блеск стекла (кварц), перламутра (мусковит). Немало и таких минералов, которые даже в свежем изломе выглядят матовыми, т. е. не имеют блеска.
Замечательной особенностью многих природных соединений служит их окраска. Для ряда минералов она постоянна и весьма характерна. К примеру: киноварь (сернистая ртуть) всегда обладает карминно-красным цветом; для малахита характерна яркозеленая окраска; кубические кристаллики пирита легко узнаются по металлически-золотистому цвету и т. д. Наряду с этим окраска большого количества минералов изменчива. Таковы, к примеру, разновидности кварца: бесцветные (прозрачные), молочно-белые, желтовато-бурые, почти черные, фиолетовые, розовые.
Минералы различаются и по другим физическим свойствам. Одни из них настолько тверды, что легко оставляют царапины на стекле (кварц, гранат, пирит); другие сами царапаются обломками стекла или острием ножа (кальцит, малахит); третьи обладают настолько низкой твердостью, что легко чертятся ногтем (гипс, графит). Одни минералы при раскалывании легко расщепляются по определенным плоскостям, образуя обломки правильной формы, похожие на кристаллы (каменная соль, галенит, кальцит); другие дают в изломе кривые, "раковистые" поверхности (кварц). Широко варьируют и такие свойства, как удельный вес, плавкость и др.
Столь же различны и химические свойства минералов. Одни легко растворяются в воде (каменная соль), другие растворимы лишь в кислотах (кальцит), третьи устойчивы даже по отношению к крепким кислотам (кварц). Большинство минералов хорошо сохраняется в воздушной среде. При этом известен ряд природных соединений, легко подвергающихся окислению или разложению за счёт кислорода, углекислоты и влаги, содержащихся в воздухе. Давно установлено также, что некоторые минералы под воздействием света постепенно меняют свою окраску.
Все эти свойства минералов находятся в причинной зависимости от особенностей химического состава минералов, от кристаллической структуры вещества и от строения атомов или ионов, входящих в состав соединений.
Химический состав земной коры - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Химический состав земной коры" 2017, 2018.
Земная кора в научном понимании представляет собой самую верхнюю и твердую геологическую часть оболочки нашей планеты.
Научные исследования позволяют изучить ее досконально. Этому способствуют многократные бурения скважин как на континентах, так и на океанском дне. Строение земли и земной коры на различных участках планеты отличаются и и по составу, и по характеристикам. Верхней границей земной коры является видимый рельеф, а нижней - зона разделения двух сред, которая также известна как поверхность Мохоровичича. Часто ее называют просто "граница М". Это наименование она получила благодаря хорватскому сейсмологу Мохоровичичу А. Он долгие годы наблюдал за скоростью сейсмических движений в зависимости от уровня глубины. В 1909 году он установил наличие разницы между земной корой и раскаленной мантией Земли. Граница М пролегает на том уровне, где скорость сейсмических волн повышается с 7.4 до 8.0 км/с.
Химический состав Земли
Изучая оболочки нашей планеты, ученые делали интересные и даже потрясающие выводы. Особенности строения земной коры делают ее схожей с такими же участками на Марсе и Венере. Более чем 90 % составляющих элементов ее представлены кислородом, кремнием, железом, алюминием, кальцием, калием, магнием, натрием. Сочетаясь между собой в различных комбинациях, они образуют однородные физические тела - минералы. Они могут войти в состав горных пород в разных концентрациях. Строение земной коры весьма неоднородно. Так, горные породы в обобщенном виде представляют собой агрегаты более-менее постоянного химического состава. Это самостоятельные геологические тела. Под ними понимается четко очерченная область земной коры, имеющая в своих границах одинаковое происхождение, возраст.
Горные породы по группам
1. Магматические. Название говорит само за себя. Они возникают из остывшей магмы, вытекающей из жерла древних вулканов. Строение этих пород напрямую зависит от скорости застывания лавы. Чем она больше, тем меньше кристаллы вещества. Гранит, например, сформировался в толще земной коры, а базальт появился в результате постепенного излияния магмы на ее поверхность. Многообразие таких пород довольно велико. Рассматривая строение земной коры, мы видим, что она состоит из магматических минералов на 60 %.
2. Осадочные. Это породы, которые стали результатом постепенного отложения на суше и дне океана обломков тех или иных минералов. Это могут быть как рыхлые компоненты (песок, галька), сцементированные (песчаник), остатки микроорганизмов (каменный уголь, известняк), продукты химических реакций (калийная соль). Они составляют до 75 % всей земной коры на материках.
По физиологическому способу образования осадочные породы делятся на:
- Обломочные. Это остатки различных горных пород. Они разрушались под воздействием природных факторов (землетрясение, тайфун, цунами). К ним можно отнести песок, гальку, гравий, щебень, глину.
- Химические. Они постепенно образуются из водных растворов тех или иных минеральных веществ (соли).
- Органические или биогенные. Состоят из останков животных или растений. Это горючие сланцы, газ, нефть, уголь, известняк, фосфориты, мел.
3. Метаморфические породы. В них могут превращаться другие компоненты. Это происходит под воздействием изменяющейся температуры, большого давления, растворов или газов. Например, из известняка можно получить мрамор, из гранита - гнейс, из песка - кварцит.
Минералы и горные породы, которые человечество активно использует в своей жизнедеятельности, называются полезными ископаемыми. Что они собой представляют?
Это природные минеральные образования, которые влияют на строение земли и земной коры. Они могут использоваться в сельском хозяйстве и промышленности как в естественном виде, так и подвергаясь переработке.
Виды полезных минералов. Их классификация
В зависимости от физического состояния и агрегации, полезные ископаемые можно разделить на категории:
- Твердые (руда, мрамор, уголь).
- Жидкие (минеральная вода, нефть).
- Газообразные (метан).
Характеристики отдельных видов полезных ископаемых
По составу и особенностям применения различают:
- Горючие (уголь, нефть, газ).
- Рудные. Они включают радиоактивные (радий, уран) и благородные металлы (серебро, золото, платина). Есть руды черных (железо, марганец, хром) и цветных металлов (медь, олово, цинк, алюминий).
- Нерудные полезные ископаемые играют существенную роль в таком понятии, как строение земной коры. География их обширна. Это неметаллические и негорючие горные породы. Это строительные материалы (песок, гравий, глина) и химические вещества (сера, фосфаты, калийные соли). Отдельный раздел посвящен драгоценным и поделочным камням.
Распределение полезных ископаемых по нашей планете напрямую зависит от внешних факторов и геологических закономерностей.
Так, топливные полезные ископаемые в первую очередь добываются в нефтегазоносных и угольных бассейнах. Они имеют осадочное происхождение и формируются на осадочных чехлах платформ. Нефть и уголь крайне редко залегают вместе.
Рудные полезные ископаемые чаще всего соответствуют фундаменту, выступам и складчатым областям платформенных плит. В таких местах они могут создавать огромные по протяженности пояса.
Ядро
Земная оболочка, как известно, многослойна. Ядро располагается в самом центре, а его радиус приблизительно равен 3 500 км. Его температура гораздо выше, чем у Солнца и составляет около 10000 К. Точных данных о химическом составе ядра не получено, но предположительно оно состоит из никеля и железа.
Внешнее ядро находится в расплавленном состоянии и имеет еще большую мощность, чем внутреннее. Последнее подвергается колоссальному давлению. Вещества, из которых оно состоит, находятся в постоянном твердом состоянии.
Мантия
Геосфера Земли окружает ядро и составляет около 83 процентов от всей оболочки нашей планеты. Нижняя граница мантии находится на огромной глубине почти 3000 км. Данную оболочку принято условно разделять на менее пластичную и плотную верхнюю часть (именно из нее образуется магма) и на нижнюю кристаллическую, ширина которой составляет 2000 километров.
Состав и строение земной коры
Для того чтобы говорить о том, какие элементы входят в состав литосферы, нужно дать некоторые понятия.
Земная кора - это самая внешняя оболочка литосферы. Ее плотность меньше в два раза по сравнению со средней плотностью планеты.
От мантии земная кора отделена границей М, о которой уже говорилось выше. Так как процессы, происходящие на обоих участках, взаимно влияют друг на друга, их симбиоз принято называть литосферой. Это означает "каменная оболочка". Ее мощность колеблется в пределах 50-200 километров.
Ниже литосферы расположена астеносфера, которая обладает менее плотной и вязкой консистенцией. Ее температура составляет около 1200 градусов. Уникальной особенностью астеносферы является возможность нарушать свои границы и проникать в литосферу. Она является источником вулканизма. Здесь находятся расплавленные очаги магмы, которая внедряется в земную кору и изливается на поверхность. Изучая эти процессы, ученые смогли сделать много удивительных открытий. Именно так изучалось строение земной коры. Литосфера была сформирована много тысяч лет назад, но и сейчас в ней происходят активные процессы.
Структурные элементы земной коры
По сравнению с мантией и ядром, литосфера - это жесткий, тонкий и очень хрупкий слой. Она сложена из комбинации веществ, в составе которых на сегодняшний день обнаружено более 90 химических элементов. Они распределены неоднородно. 98 процентов массы земной коры приходится на семь составляющих. Это кислород, железо, кальций, алюминий, калий, натрий и магний. Возраст самых древних пород и минералов составляет более 4.5 миллиардов лет.
Изучая внутреннее строение земной коры, можно выделить различные минералы.
Минерал - сравнительно однородное вещество, которое может находиться как внутри, так и на поверхности литосферы. Это кварц, гипс, тальк и т.д. Горные породы слагаются из одного или нескольких минералов.
Процессы, формирующие земную кору
Строение океанической земной коры
Данная часть литосферы преимущественно состоит из базальтовых пород. Строение океанической земной коры изучено не так досконально, как континентальное. Теория тектонических плит объясняет, что океаническая земная кора является относительно молодой, а самые ее последние участки можно датировать поздней юрой.
Ее толщина практически не изменяется со временем, так как она определяется количеством расплавов, выделяющихся из мантии в зоне срединно-океанических хребтов. На нее существенно влияет глубина осадочных слоев на дне океана. В наиболее объемных участках она составляет от 5 до 10 километров. Данный вид земной оболочки относится к океанической литосфере.
Континентальная кора
Литосфера взаимодействует с атмосферой, гидросферой и биосферой. В процессе синтеза они образуют самую сложную и реакционно активную оболочку Земли. Именно в тектоносфере происходят процессы, изменяющие состав и строение этих оболочек.
Литосфера на земной поверхности не однородна. Она имеет несколько слоев.
- Осадочный. Он в основном образуется горными породами. Здесь преобладают глины и сланцы, а также широко распространены карбонатные, вулканогенные и песчаные породы. В осадочных слоях можно встретить такие полезные ископаемые, как газ, нефть и каменный уголь. Все они имеют органическое происхождение.
- Гранитный слой. Он состоит из магматических и метаморфических пород, которые наиболее близки по своей природе к граниту. Этот слой встречается далеко не везде, наиболее ярко он выражен на континентах. Здесь его глубина может составлять десятки километров.
- Базальтовый слой образуют породы, близкие к одноименному минералу. Он более плотный, чем гранит.
Глубина и изменение температуры земной коры
Поверхностный слой прогревается солнечным теплом. Это гелиометрическая оболочка. Она испытывает сезонные колебания температуры. Средняя мощность слоя составляет около 30 м.
Ниже находится слой, еще более тонкий и хрупкий. Его температура постоянна и приблизительно равна среднегодовой, характерной для этой области планеты. В зависимости от континентального климата глубина этого слоя увеличивается.
Еще глубже в земной коре находится еще один уровень. Это геотермический слой. Строение земной коры предусматривает его наличие, а его температура определяется внутренним теплом Земли и возрастает с глубиной.
Повышение температуры происходит за счет распада радиоактивных веществ, которые входят в состав горных пород. В первую очередь это радий и уран.
Геометрический градиент - величина нарастания температуры в зависимости от степени увеличения глубины слоев. Этот параметр зависит от разных факторов. Строение и типы земной коры влияют на него, так же как и состав горных пород, уровень и условия их залегания.
Тепло земной коры является важным энергетическим источником. Его изучение очень актуально на сегодняшний день.
План
Земная кора (материковая, океаническая, переходная).
Главные составные части земной коры – химические элементы, минералы, горные породы, геологические тела.
Основы классификации магматических горных пород.
Земная кора (материковая, океаническая, переходная)
На основании данных глубинных сейсмических зондирований в толще земной коры выделяется ряд слоев, характеризующимися разными скоростями прохождения упругих колебаний. Из этих слоев три считаются основными. Самый верхний из них известен как осадочная оболочка, средний – гранитно-метаморфический и нижний – базальтовый (рис.).
Рис. . Схема строения коры и верхней мантии, включая твердую литосферу
и пластичную астеносферу
Осадочный слой сложен в основном наиболее мягкими, рыхлыми и более плотными (за счет цементации рыхлых) породами. Осадочные породы обычно располагаются в виде пластов. Мощность осадочного слоя на поверхности Земли очень непостоянна и меняется от нескольких м до 10-15 км. Есть участки, где осадочный слой полностью отсутствует.
Гранитный-метаморфический слой сложен в основном магматическими и метаморфическими породами, богатыми алюминием и кремнием. Места, где отсутствует осадочный слой и гранитный слой выходит на поверхность называют кристаллическими щитами (Кольский, Анабарский, Алданский и др.). Мощность гранитного слоя 20-40 км, местами этот слой отсутствует (на дне Тихого океана). По данным изучения скорости сейсмических волн плотность пород у нижней границы от 6,5 км/сек до 7,0 км/сек резко меняется. Эта граница гранитного слоя, отделяющая гранитный слой от базальтового получила название границы Конрада.
Базальтовый слой выделяется в основании земной коры, присутствует повсеместно, мощность его колеблется от 5 до 30 км. Плотность вещества в базальтовом слое – 3,32 г/см 3 , по составу он отличается от гранитов и характеризуется значительно меньшим содержанием кремнезема. У нижней границы слоя наблюдается скачкообразное изменение скорости прохождения продольных волн, что говорит о резком изменении свойств пород. Эта граница принята за нижнюю границу земной коры и названа границей Мохоровичича, о чем говорилось выше.
В различных частях земного шара земная кора разнородна как по составу, так и по мощности. Типы земной коры – материковая или континентальная, океаническая и переходная. Океаническая кора занимает около 60%, а континентальная около 40% земной поверхности, что отличается от распределения площади океанов и суши (71% и 29% соответственно). Это связано с тем, что граница между рассматриваемыми типами коры проходит по континентальному подножию. Мелководные моря, такие как, к примеру, Балтийское и Арктические моря России, относятся к Мировому океану лишь с географической точки зрения. В области океанов выделяют океанический тип , характеризующийся маломощным осадочным слоем, под которым располагается базальтовый. Причем, океаническая кора значительно моложе континентальной – возраст первой составляет не более 180 – 200 млн. лет. Земная кора под континентом содержит все 3 слоя, имеет большую мощность (40-50 км) и называется материковой . Переходная кора отвечает подводной окраине материков. В отличии от континентальной здесь резко сокращается гранитный слой и сходит на нет в океан, а затем идет и сокращение мощности базальтового слоя.
Осадочный, гранитный-метаморфический и базальтовый слои вместе образуют оболочку, которая получила наименование сиаль – от слов силициум и алюминий. Обычно полагают, что в сиалической оболочке целесообразно отождествлять понятие о земной коре. Установлено также, что на всем протяжении геологической истории земная кора поглощает кислород и к настоящему она по объему на 91% состоит из него.
Главные составные части земной коры – химические элементы, минералы, горные породы, геологические тела
Вещество Земли состоит из химических элементов. В пределах каменной оболочки химические элементы образуют минералы, минералы слагают горные породы, а горные породы в свою очередь геологические тела. Наши знания о химии Земли, или иначе геохимии, катастрофически убывают с глубиной. Глубже 15 км наши знания постепенно сменяются гипотезами.
Американский химик Ф.В. Кларк совместно с Г.С. Вашингтоном, начав в начале прошлого века анализ различных пород (5159 образцов) опубликовал данные о средних содержаниях около десяти наиболее распространенных элементов в земной коре. Франк Кларк исходил из того положения, что твердая земная кора до глубины 16 км состоит на 95% из изверженных пород и на 5% из осадочных пород, образованных за счет изверженных. Поэтому для подсчета Ф.Кларк использовал 6000 анализов различных горных пород, взяв их среднее арифметическое. В дальнейшем эти данные дополнялись средними данными содержаний других элементов.Оказалось, что наиболее распространенными элементами земной коры являются (вес. %): O – 47,2; Si – 27,6; Al – 8,8; Fe – 5,1; Ca – 3,6; Na – 2,64; Mg – 2,1; K – 1,4; H – 0,15, что в сумме составляет 99,79%. Эти элементы, (кроме водорода), а также углерод, фосфор, хлор, фтор и некоторые другие называют породообразующими или петрогенными.
Впоследствии эти цифры неоднократно уточнялись различными авторами (табл.).
Сравнение различных оценок состава земной коры континентов,
|
Тип коры |
Верхняя часть континентальной коры |
Континентальная кора |
|||
|
Гольдшмидт, 1938 |
Виноградов, 1962 |
Ронов и др., 1990 |
Ронов и др., 1990 |
||
Средние массовые доли химических элементов в земной коре получили название по предложению академика А. Е. Ферсманакларков . Последние данные по химическому составу сфер Земли сведены в следующую схему (рис).
Все вещество земной коры и мантии состоит из минералов, разнообразных по форме, строению, составу, распространенности и свойствам. В настоящее время выделено более 4000 минералов. Точную цифру назвать невозможно потому, что ежегодно число минеральных видов пополняется 50-70 наименованиями минеральных видов. Например, на территории бывшего СССР открыто около 550 минералов (в музее им. А.Е.Ферсмана хранится 320 видов), из них более 90% в ХХ веке.
Минеральный состав земной коры выглядит следующим образом (об. %): полевые шпаты - 43,1; пироксены - 16,5; оливин - 6,4; амфиболы - 5,1; слюды - 3,1; глинистые минералы - 3,0; ортосиликаты – 1,3; хлориты, серпентины - 0,4; кварц – 11,5; кристобалит - 0,02; тридимит - 0,01; карбонаты - 2,5; рудные минералы - 1,5; фосфаты - 1,4; сульфаты - 0,05; гидроксиды железа - 0,18; прочие - 0,06; органическое вещество - 0,04; хлориды - 0,04.
Эти цифры, конечно же, весьма относительны. В целом, минеральный состав земной коры наиболее пестр и богат по сравнению с составом более глубоких геосфер и метеоритов, вещества Луны и внешних оболочек других планет земной группы. Так на луне выявлено 85 минералов, а в метеоритах – 175.
Природные минеральные агрегаты, слагающие самостоятельные геологические тела в земной коре называются горными породами. Понятие «геологическое тело» - это разномасштабное понятие, оно включает объемы от кристалла минерала до континентов. Каждая горная порода образует в земной коре объемное тело (слой, линза, массив, покров...), характеризующееся определенным вещественным составом и специфическим внутренним строением.
В русскую геологическую литературу термин «горная порода» был введен в конце ХVIII века Василием Михайловичем Севергиным. Изучение земной коры показало, что она сложена различными горными породами, которые по происхождению можно разделить на 3 группы: магматические или изверженные, осадочные и метаморфические.
Прежде, чем перейти к описанию каждой из групп горных пород в отдельности, необходимо остановиться на их исторических взаимоотношениях.
Принято считать, что первоначально земной шар представлял расплавленное тело. Из этого первичного расплава или магмы, и образовалась путем остывания твердая земная кора, в начале сложенная целиком магматическими горными породами, которые следует рассматривать как исторически наиболее древнюю группу горных пород.
Лишь в более позднюю фазу развития Земли могли возникать породы иного происхождения. Это стало возможным после возникновения всех внешних ее оболочек: атмосферы, гидросферы, биосферы. Первичные магматические породы под их воздействием и солнечной энергии разрушались, разрушенный материал перемещался водой и ветром, сортировался и вновь цементировался. Так возникли осадочные породы, являющиеся вторичными по отношению к магматическим, за счет которых они образовались.
Материалом для образования метаморфических пород служили как магматические породы, так и осадочные. В результате различных геологических процессов происходило опускание крупных участков земной коры, в пределах этих участков шло накопление осадочных пород. Нижние части толщи в ходе этих опусканий попадают на все большие глубины в область высоких температур и давлений, в область проникновения из магмы различных паров и газов и циркуляции горячих водяных растворов, привносящих в породы новые химические элементы. Итогом этого и является метаморфизм.
Распространение этих пород неодинаково. Подсчитано, что литосфера на 95 % сложена магматическими и метаморфическими породами и только 5 % составляют осадочные породы. На поверхности распределение несколько иное. Осадочными породами покрыто 75 % земной поверхности и только 25 % приходится на долю магматических и метаморфических пород.
Самая верхняя из твёрдых оболочек нашей планеты носит название земной коры; вместе с верхней мантией она образует литосферу. Граница между корой и верхней мантией, называемая поверхностью Мохоровичича, лежит под континентами на глубине в среднем ~ 50 км, тогда как под океанами толщина коры составляет всего 5-10 км. Верхнюю часть континентальной земной коры составляет осадочный чехол (педосфера), а вся остальная её толща разделяется на два слоя - гранитный и базальтовый (поверхность раздела между ними называют поверхностью Конрада).
Состав земной коры образовался, в основном, в результате высвобождения веществ из верхней мантии Земли. Состав этой оболочки эволюционировал во времени, прежде всего, за счет возгонки элементов из мантии в результате частичного плавления на глубине около 100 км. Глубина Земли составляет 6371 км; земной коры ~ 40 км, верхняя мантия ~ 40-70 км, нижняя мантия: 700-2900 км; внешнее ядро ~ 2900-5150 км; внутреннее ядро ~ 5150-6371 км. Более 92 % массы литосферы приходится на долю только 4-х элементов - железа, кислорода, кремния и магния. Земная кора по своему составу оказывается более обогащённой кислородом и кремнием. Эти элементы вместе с алюминием образуют самые распространённые в коре соединения - силикаты и алюмосиликаты. Примерно на 90 % масса земной коры образована силикатами алюминия, железа, кальция, магния, калия и натрия, а также оксидом кремния. Земная оболочка имеет толщину < 0,0001 % от объема планеты. Средний химический состав современной коры имеет следующий вид:
О - 46,6 %; Si - 27,7 %; Аl - 8,1 %; Fе - 5,0%; Са- 3,6 %; Nа - 2,8 %; К - 2,6 %; Мg - 2,1 %; прочие 1,4%.
Для характеристики распространённости химических элементов в земной коре известный геохимик А.Е. Ферсман предложил ввести понятие кларка - среднего значения относительного содержания химического элемента. Эта величина названа в честь американского учёного-химика, который в последние десятилетия XIX века наметил пути статистического изучения распространённости элементов. В более широком понимании кларк относят не только к земной коре, но и к другим глобальным (например, растительность континентов) и космическим системам. Различия в кларках химических элементов очень велики. Условно элементы делят на 2 группы: главные, с содержанием не менее 0,1 %, и рассеянные. К главным элементам (по мере убывания) в земной коре можно отнести следующие 10 химических элементов: О, Si, Al, Fe, К, Са, Na, Mg, Ti, Н. Они образуют самостоятельные химические соединения (минералы), а входящие во вторую группу преимущественно рассеяны в природных минералах. Особенность распределения рассеянных элементов в земной коре заключается в их способности образовывать скопления (месторождения), в которых их содержание в сотни и тысячи раз превышает кларковые. Среднее содержание рассеянного химического элемента в данном регионе формирует его геохимический фон. Участки с повышенной концентрацией элемента (по сравнению с региональной) называют геохимическими аномалиями или геохимическими провинциями.
Важной составляющей литосферы являются подземные воды. Вода присутствует в земной толще как в свободном виде, так и в связанной форме, а также различных агрегатных состояниях: в виде паров, жидкости и льда. Подземные воды представляют собой сложную физико-химическую систему, находящуюся в динамическом равновесии с вмещающими породами.
Свободные воды подземной гидросферы в той или иной степени минерализованы, и наиболее редкими (~ 2 %) оказываются пресные воды. В основном это грунтовые воды, непосредственно связанные с поверхностными источниками (реки, озёра, водохранилища). Общая минерализация их не превышает 1 г/л (1 ‰), а по составу они относятся к гидрокарбонатным. Как правило, грунтовые воды отличаются высоким (до 35 мг/л и более) содержанием растворённого органического вещества. Основной объём подземной гидросферы приходится на долю солёных (до 35 г/л) и рассольных (с минерализацией до 500-600 г/л) вод. Их формирование протекает в глубинных слоях осадочных пород в зонах медленного водообмена в течение сотен тысяч и миллионов лет. По составу они относятся главным образом к хлоридным. Промежуточное положение между пресными (грунтовыми и артезианскими) и солёными обычно занимают солоноватые воды с минерализацией до 10 г/л. Они образуют все основные классы - гидрокарбонатные, хлоридные и сульфатные. В сравнении с пресными грунтовыми, солоноватые воды содержат меньше растворённых газов атмосферного происхождения. По мере увеличения глубины залегания в подземных водах увеличивается концентрация газов глубинного генезиса (СО 2 , Не, СН 4 и др.)
Земная кора постоянно подвергается различного рода воздействиям как внутреннего (эндогенного), так и внешнего (экзогенного) характера. Движущей силой эндогенных процессов является внутренняя энергия Земли. Например, микробиологическое выщелачивание рассеянных элементов происходит не только путём окисления, но и при восстановлении окисленных руд. В нём принимают участие различные микроорганизмы. В частности, восстановление Fe 3+ до Fe 2+ и Мn 4+ до Мn 2+ осуществляется бактериями родов Bacillus и Pseudomonas. Экзогенные процессы протекают на поверхности Земли или на небольшой глубине в земной коре и обусловлены внешними силами: энергией солнечного излучения, силами гравитации, движущихся воды и льда, жизнедеятельностью организмов. Мощным экзогенным фактором, воздействующим на земную кору, стала в настоящее время деятельность человека. Если до 2-ой половины XX в. недра использовались почти исключительно для добычи полезных ископаемых и питьевого водоснабжения, то сейчас в них создают хранилища нефти и газа, ведут захоронение отходы химической и ядерной промышленности. Особенно сильное влияние на геодинамические и гидрологические процессы оказывают подземные ядерные взрывы.
Наиболее достоверные сведения о химическом составе земной коры относятся к ее континентальной части. При расчете химического состава земной коры принимают определенную пропорцию кислого (гранитного) и основного (базальтового) материала. А.П. Виноградов в 1962 г. считал, что, вероятнее всего земная кора представляет собой смесь кислых и основных пород в пропорции 2:1. А.Б. Ронов и А.А. Ярошевский расчетным путем определили это соотношение как примерно 4:1, А.А. Полдерват в 1955 г. допускал это соотношение как 1:1. Из приведенных данных следует, что расчеты состава земной коры носят приближенный характер. Средний химический состав земной коры является ее важной химической характеристикой, необходимой для выяснения ряда глобальных геохимических процессов. Вещество земной коры выделилось из мантии в результате выплавления, дегазации и выноса этих продуктов в верхние горизонты планеты (табл. 1).
Таблица 1. Химический состав земной коры по А.Б. Ронову и А.А. Ярошевскому, 1976 г.(в среднем, %)
Краткая характеристика горных пород
По своему происхождению горные породы разделяют на 3 большие группы:
1. Магматические (изверженные), возникшие при застывании на поверхности или в недрах земной коры магмы - особого силикатного расплава, насыщенного газами.
2. Осадочные, образовавшиеся путем осаждения неорганических и органических веществ на дне различных водоемов и на поверхности континентов.
3. Метаморфические, появившиеся в процессе изменения (перекристаллизации) осадочных и изверженных пород под влиянием повышенных температур и давлений.
Изверженные породы включают в состав (%): гранит (SiO 2 ~ 71, Al 2 O 3 ~ 14-15, Na 2 O ~ 3.3, K 2 O ~ 4.0, Fe 2 O 3 + Fe ~ 3.5, остальное: Н 2 О, СаО, ТiО 2 , МgО);
Базальт (SiO 2 ~ 49, Al 2 O 3 ~ 18, Fe 2 O 3 + Fe ~ 9, СаО ~ 11, МgО ~ 8, остальное: Н 2 О, ТiО 2 , Na 2 O, K 2 O).
Осадочные породы включают (%): а) глина (SiO 2 ~ 62; Al 2 O 3 ~ 17; Н 2 О ~ 5; Fe 2 O 3 + Fe ~ 5, остальное: СаО, ТiО 2 , МgО, K 2 O, Na 2 O, СО 2);
б) песчаник (SiO 2 ~ 94; Al 2 O 3 ~ 1,1; СаО ~ 1,1; остальное: Na 2 O 3 ; K 2 O; Fe 2 O 3 + Fe; Н 2 О, ТiО 2 , МgО).
в) известняк (SiO 2 ~ 5; СаО ~ 43; СО 2 ~ 42; остальное: до 100 %.
Метаморфические породы (%): а) амфиболиты (SiO 2 ~ 50; Al 2 O 3 ~ 17; МgО ~ 7; СаО ~ 9; Fe 2 O 3 + Fe ~ 10; все остальные соединения - до 100 %);
б) сланец (SiO 2 ~ 63; Al 2 O 3 ~ 18; Fe 2 O 3 + Fe ~ 6; СаО ~ 2; Fe 2 O 3 + Fe ~ 6; К 2 О ~ 3; Н 2 О ~ 2,5; все остальные соединения - до 100 %).
Горные породы как естественные ассоциации минералов обладают целым рядом физических свойств, знание которых необходимо для решения многих вопросов: плотность, теплопроводность, естественная радиоактивность*, электрические свойства (удельное электрическое сопротивление, поляризуемость, диэлектрическая проницаемость, электрохимическая активность), магнитные свойства (магнитная восприимчивость, индуцированная намагниченность, остаточная намагниченность, естественная остаточная намагниченность), упругие и физико-механические свойства (скорость распространения продольных и поперечных сейсмических волн, динамическим модулям упругости, модулям деформации и сдвига).
* -естественная радиоактивность горных пород определяется спонтанным распадом (неуправляемым) сосредоточенных в них радиоактивных изотопов. Главными и наиболее распространенными являются: 232 Тh, 235 U, 238 U, 40 К. Радиоактивность проявляется в испускании б-, в-частиц, г-фотонов.
В биосфере нашей планеты существуют различные формы движения материи, взаимосвязанные друг с другом. В ней совершается массовый перенос твердых, жидких и газообразных масс под влиянием энергии солнечных лучей и внутренней энергии планеты, связанной, главным образом, с радиоактивным распадом и выделяемой атомной энергией.
Представление о большом круговороте вещества в верхних горизонтах Земли, как учение о крупных геологических циклах, было разработано в целостном виде В.И. Вернадским и названы эти циклы геохимическими. Наиболее крупный по масштабам круговорот - это процесс формирования магматических горных пород, которые возникают при застывании магмы, поступившей в литосферу из глубин Земли. На поверхности земной коры материал изверженных горных пород подвергается разрушению - выветриванию и естественно переходит в подвижное состояние. Продукты разрушения сносятся геологическими агентами (водой, ветром) в пониженные части рельефа (денудация), а затем в водоемы. Таким образом, осадочные породы в ходе геологического времени погружаются на большие глубины, где подвергаются метаморфизму и переплавлению снова в магму. Последняя в благоприятных геологических условиях может снова попасть в верхние слои литосферы, где застывает в форме различных горных пород. Таким образом, в течение огромных интервалов геологического времени происходит глобальный круговорот вещества: магматическая порода - осадочная порода - метаморфическая порода - магма. Различные участки земной коры, наблюдаемые нами на поверхности земного шара, по существу являются звеньями этого круговорота.