Вещественный состав земной коры. 2

Оглавление

Введение

1.  Земная кора и типы ее строения

2.  Эволюция химического состава земной коры

3.  Формирование минералогического разнообразия земной коры

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Земля входит в состав системы, где центром является Солнце, в  котором заключено 99,87% массы всей системы. Характерной особенностью всех планет Солнечной системы является их оболочечное строение: каждая планета  состоит их ряда концентрических  сфер, различающихся составом и состоянием вещества.

Земля окружена мощной газовой  оболочкой — атмосферой. Она является своеобразным регулятором обменных процессов между Землей и Космосом. В составе газовой оболочки выделяется несколько сфер, отличающихся составом и физическими свойствами. Основная масса газового вещества заключена  в тропосфере, верхняя граница  которой, расположенная на высоте около 17 км на экваторе, снижается к полюсам  до 8—10 км. Выше, на протяжении стратосферы  и мезосферы, нарастает разреженность  газов, сложно меняются термические  условия. На высоте от 80 до 800 км располагается  ионосфера — область сильно разреженного газа, среди частиц которого преобладают  электрически заряженные. Самую наружную часть газовой оболочки образует экзосфера, простирающаяся до высоты 1800 км. Из этой сферы происходит диссипация наиболее легких атомов — водорода и гелия.

Еще более сложно стратифицирована сама планета. Масса Земли оценивается  в 5,98*1027 г, а ее объем — в 1,083*1027 см³. Следовательно, средняя плотность планеты составляет около 5,5 г/см³. Но плотность доступных нам горных пород равна 2,7—3,0 г/см³. Из этого следует, что плотность вещества Земли неоднородна.

Главнейшими методами изучения внутренних частей нашей планеты  являются геофизические, в первую очередь  наблюдения за скоростью распространения  сейсмических волн, образующихся от взрывов  или землетрясений. Подобно тому, как от камня, брошенного в воду, в разные стороны расходятся по поверхности  воды волны, так в твердом веществе от очага взрыва распространяются упругие  волны. Среди них выделяют волны  продольных и поперечных колебаний. Продольные колебания представляют собой чередования сжатия и растяжения вещества в направлении распространения  волны. Поперечные колебания можно  представить как чередующиеся сдвиги в направлении, перпендикулярном распространению  волны.

Волны продольных колебаний, или, как принято говорить, продольные волны, распространяются в твердом  веществе с большей скоростью, чем  поперечные. Продольные волны распространяются как в твердом, так и в жидком веществе, поперечные — только в  твердом. Следовательно, если при прохождении  сейсмических волн через какое-либо тело будет обнаружено, что оно  не пропускает поперечные волны, то можно  считать, что это вещество находится в жидком состоянии. Если через тело проходят оба типа сейсмических волн, то это — свидетельство твердого состояния вещества.

Скорость волн увеличивается  с возрастанием плотности вещества. При резком изменении плотности  вещества скорость волн будет скачкообразно  меняться. В результате изучения распространения  сейсмических волн через Землю обнаружено, что имеется несколько определенных границ скачкообразного изменения  скоростей волн. Поэтому предполагается, что Земля состоит из нескольких концентрических оболочек (геосфер).

На основании установленных  трех главных границ раздела выделяют три главные геосферы: земную кору, мантию и ядро.

Первая граница раздела  характеризуется скачкообразным увеличением  скоростей продольных сейсмических волн от 6,7 до 8,1 км/с. Эта граница  получила название раздела Мохоровичича (в честь сербского ученого  А. Мохоровичича, который ее открыл), или просто граница М. Она отделяет земную кору от мантии. Плотность вещества земной коры, как указано выше, не превышает 2,7—3,0 г/см³. Граница М расположена под континентами на глубине от 30 до 80 км, а под дном океанов — от 4 до 10 км.

Учитывая, что радиус Земного  шара равен 6371 км, земная кора представляет собой тонкую пленку на поверхности  планеты, составляющую менее 1% ее общей  массы и примерно 1,5% ее объема.

земная кора минерал

1. Земная кора и типы  ее строения

Строение земной коры. Земная кора — термин, хотя и вошедший в  естественнонаучный обиход в эпоху  Возрождения, длительное время трактовался  весьма свободно по причине того, что  непосредственно определить толщину  коры и изучить ее глубинные части  было невозможно. Открытие сейсмических колебаний и создание метода определения  скорости распространения их волн в  средах разной плотности дали мощный импульс для изучения земных недр. С помощью сейсмографических  исследований в начале XX в. было обнаружено принципиальное различие скорости прохождения  сейсмических волн через горные породы, слагающие земную кору, и вещество мантии и объективно установлена  граница их раздела (граница Мохоровичича). Тем самым понятие «земная  кора» получило конкретное научное  обоснование.

Экспериментальное изучение скорости распределения ударных  упругих колебаний в горных породах  с разной плотностью, с одной стороны, а с другой — «просвечивание»  земной коры сейсмическими волнами  во многих точках земной поверхности, позволили обнаружить, что земная кора состоит из следующих трех слоев, сложенных горными породами разной плотности:

1.) Наружный слой, состоящий  из осадочных горных пород,  в которых волны сейсмических  колебаний распространяются со  скоростью 1—3 км/сек, что соответствуют  плотности около 2,7 г/см³. Этот слой некоторые ученые называют осадочной оболочкой Земли.

2.) Слой плотных кристаллических  пород, слагающих под осадочной  толщей верхнюю часть континентов,  в котором сейсмические волны  распространяются со скоростью  от 5,5 до 6,5 км/сек. По причине того, что продольные сейсмические  волны распространяются с указанной  скоростью в гранитах и близких к ним по составу породам, условно эту толщу называют гранитным слоем, хотя в ней имеются самые разнообразные магматические и метаморфические породы. Преобладают гранитоиды, гнейсы, кристаллические сланцы, встречаются кристаллические породы среднего и даже основного состава (диориты, габбро, амфиболиты).

3.) Слой более плотных  кристаллических пород, образующий  нижнюю часть континентов и  слагающий океаническое дно. В  породах этого слоя скорость  распространения продольных сейсмических  волн составляет 6,5—7,2 км/сек, что  соответствует плотности около3,0 г/см³. Такие скорости и плотность характерны для базальтов, благодаря чему этот слой был назван базальтовым, хотя базальтыне всюду полностью слагают этот слой.

Как видим, понятия «гранитный слой» и «базальтовый слой» условны  и употребляются для обозначения  второго и третьего горизонтов земной коры, характеризующихся скоростями распространения продольных сейсмических волн соответственно 5,5—6,5 и 6,5—7,2 км/сек. В дальнейшем эти названия будут  приводиться без кавычек, но об их условности надо помнить.

Нижней границей базальтового слоя является поверхность Мохоровича. Ниже располагаются горные породы, относящиеся к веществу верхней  мантии. Они обладают плотностью 3,2—3,3 г/м³ и больше, скорость распространения продольных сейсмических волн в них 8,1 м/сек. Их состав соответствует ультраосновным породам (перидотитам, дунитам).

Следует обратить внимание на то, что термины «земная кора»  и «литосфера» (каменная оболочка) не являются синонимами и имеют разное содержание. Литосфера — наружная оболочка земного шара, сложенная  твердыми горными породами, в том  числе породами верхней мантии ультраосновного  состава. Земная кора — часть литосферы, лежащая выше границы Мохоровичича. В указанных границах общий объем  земной коры составляет более 10 млрд. км³, а масса — свыше 1018 т.

Типы строения земной коры. При изучении земной коры было обнаружено ее неодинаковое строение в разных районах. Обобщение большого фактического материала позволило выделить два  типа строения земной коры — континентальный  и океанический.

Для континентального типа характерна весьма значительная мощность коры и  присутствие гранитного слоя. Граница  верхней мантии здесь расположена  на глубине 40—50 км и больше. Мощность толщи осадочных горных пород  в одних местах достигает 10—15 км, в других — толща может полностью  отсутствовать. Средняя мощность осадочных  пород континентальной земной коры составляет 5,0 км, гранитного слоя —  около 17 км (от 10—40 км), базальтового —  около 22 км (до 30 км).

Как упоминалось выше, петрографический состав базальтового слоя континентальной  коры пестрый и скорее всего в  нем преобладают не базальты, а  метаморфические породы основного  состава (гранулиты, эклогиты и т.п.). По этой причине некоторые исследователи  предлагали этот слой называть гранулитовым.

Мощность континентальной  земной коры увеличивается на площади  горноскладчатых сооружений. Например, на Восточно-Европейской равнине  мощность коры около 40 км (15 км — гранитный  слой и более 20 км — базальтовый), а на Памире — в полтора раза больше (около 30 км в сумме составляют толща осадочных пород и гранитный  слой и столько же базальтовый  слой). Особенно большой мощности достигает  континентальная кора в горных областях, расположенных по краям материков. Например, в Скалистых горах (Северная Америка) мощность коры значительно  превышает 50 км. Совершенно иным строением  обладает земная кора, слагающая дно океанов. Здесь мощность коры резко сокращается и вещество мантии подходит близко к поверхности. Гранитный слой отсутствует, мощность осадочной толщи сравнительно небольшая. Выделяются верхний слой неуплотненных осадков с плотностью 1,5—2 г/см³ и мощностью около 0,5 км, вулканогенно-осадочный слой (переслаивание рыхлых осадков с базальтами) мощностью 1—2 км и базальтовый слой, среднюю мощность которого оценивают в 5—6 км. На дне Тихого океана земная кора имеет суммарную мощность 5—6 км; на дне Атлантического океана под осадочной толщей в 0,5—1,0 км располагается базальтовый слой мощностью 3—4 км. Отметим, что с увеличением глубины океана мощность коры не уменьшается.

В настоящее время выделяют также переходные субконтинентальный и субокеанический тип коры, отвечающие подводной окраине материков. В  пределах коры субконтинентального  типа сильно сокращается гранитный  слой, который замещается толщей осадков, а затем по направлению к ложу Океана начинается уменьшение мощности базальтового слоя. Мощность этой переходной зоны земной коры обычно 15—20 км. Граница  между океанической и субконтинентальной корой проходит в пределах материкового склона в интервале глубин 1 —3,5 км.

Хотя кора океанического  типа занимает большую площадь, чем  континентальная и субконтинентальная, в силу ее небольшой мощности в  ней сосредоточен лишь 21% объема земной коры. Сведения об объеме и массе  разных типов земной коры приведены  в таблице 1.

Таблица 1

Объем, мощность и масса  горизонтов разных типов земной коры (составлено по данным А.Б. Ронова и  А.Л. Ярошевского. 1976)

Земная кора залегает на подкорковом  мантийном субстрате и составляет всего 0,7% от массы мантии. В случае малой мощности коры (например, на океаническом ложе) самая верхняя часть мантии будет находиться также в твердом  состоянии, обычном для горных пород  земной коры. Поэтому, как отмечено выше, наряду с понятием о земной коре как об оболочке с определенными  показателями плотности и упругих  свойств, имеется понятие о литосфере  — каменной оболочке, толще твердого вещества, покрывающего поверхность  Земли.

Структуры типов земной коры. Типы земной коры различаются также  своими структурами. Для земной коры океанического типа характерны разнообразные  структуры. По центральной части  дна океанов протягиваются мощные горные системы — срединно-океанические хребты. В осевой части эти хребты рассечены глубокими и узкими рифтовыми долинами с крутыми  бортами. Эти образования представляют собой зоны активной тектонической  деятельности. Вдоль островных дуг  и горных сооружений по окраинам материков  располагаются глубоководные желоба. Наряду с этими образованиями  имеются глубоководные равнины, занимающие огромные площади.

Столь же неоднородна континентальная  земная кора. В ее пределах можно  выделить молодые горноскладчатые  сооружения, где мощность коры в  целом и каждого из ее горизонтов сильно возрастает. Выделяются также  площади, где кристаллические горные породы гранитного слоя представляют древние складчатые области, выровненные  на протяжении длительного геологического времени. Здесь мощность коры значительно  меньше. Эти обширные участки континентальной  коры называются платформами. Внутри платформ различают щиты — районы, где  кристаллический фундамент выходит  непосредственно на поверхность, и  плиты, кристаллическое основание  которых покрыто толщей горизонтально  залегающих отложений. Примером щита является территория Финляндии и Карелии (Балтийский щит), в то время как  на Восточно-Европейской равнине  складчатый фундамент глубоко опущен и перекрыт осадочными отложениями. Средняя мощность осадков на платформах около 1,5 км. Для горноскладчатых  сооружений характерна значительно  большая мощность толщи осадочных  пород, средняя величина которой  оценивается в 10 км. Накопление таких  мощных отложений достигается длительным постепенным опусканием, прогибанием  отдельных участков континентальной  коры с последующим их подъемом и  складкообразованием. Такие участки  называются геосинклиналями. Это наиболее активные зоны континентальной коры. К ним приурочено около 72% всей массы  осадочных пород, в то время как  на платформах сосредоточено около 28%.

Проявления магматизма на платформах и геосинклиналях резко  различается. В периоды прогибания геосинклиналей по глубинным разломам поступает магма основного и  ультраосновного состава. В процессе превращения геосинклинали в  складчатую область происходит образование  и внедрение огромных масс гранитной  магмы. Для поздних этапов характерны вулканические излияния лав среднего и кислого состава. На платформах магматические процессы выражены значительно  слабее и представлены преимущественно  излияниями базальтов или лав  щелочно-основного состава.

Среди осадочных пород  континентов преобладают глины  и глинистые сланцы. На дне океанов  увеличивается содержание известковых  осадков.

Итак, земная кора состоит  из трех слоев. Ее верхний слой сложен осадочными породами и продуктами выветривания. Объем этого слоя составляет около 10% общего объема земной коры. Большая часть вещества находится на континентах и переходной зоне, в пределах океанической коры его не более 22% объема слоя.

В так называемом гранитном слое наиболее распространенными породами являются гранитоиды, гнейсы и кристаллические  сланцы. На породы более основного  состава приходится около 10% этого  горизонта. Это обстоятельство хорошо отражается на среднем химическом составе  гранитного слоя. При сопоставлении  величин среднего состава обращает на себя внимание ясное различие этого  слоя и осадочной толщи (табл. 2).

Таблица 2

Химический состав земной коры (в весовых процентах)

(по данным Л.Б. Ронова  и А.Л. Ярошевского, 1976)

Состав базальтового слоя в двух основных типах земной коры неодинаков. На континентах эта толща  характеризуется разнообразием  горных пород. Здесь присутствуют глубоко  метаморфизованные и магматические  породы основного и даже кислого  состава. Основные породы составляют около 70% всего объема этого слоя. Базальтовый  слой океанической коры значительно более однороден. Преобладающим типом пород являются так называемые толеитовые базальты, отличающиеся от континентальных базальтов низким содержанием калия, рубидия, стронция, бария, урана, тория, циркония и высоким отношением Na/K. Это связано с меньшей интенсивностью процессов дифференциации при их вплавлении из мантии. В глубоких рифовых разломах выходят ультраосновные породы верхней мантии.

Распространенность горных пород в земной коре, сгруппированных  для определения соотношения  их объема и масс, приведена в  таблице 3.

Таблица 3

Распространенность горных пород в земной коре

(по А.Б. Ронову и А.Л.  Ярошевскому, 1976)

2. Эволюция химического  состава земной коры

Проблема образования  существующей структуры земной коры имеет не только фундаментальное  теоретическое значение. Познание процессов, формирующих земную кору, одновременно означает выяснение закономерностей  образования и размещения промышленных месторождений полезных ископаемых. Поэтому над изучением этих процессов  работают крупные научные коллективы многих стран.

Экспериментальные исследования, изучение горных пород на поверхности  материков и на дне океанов, результаты глубокого бурения позволили  разработать представление о  радиально направленном выправлении  и дегазации вещества земной коры из мантии. Вещество мантии до сих пор непосредственно не подвергалось химическому анализу, так как достать его пока еще технически невозможно. Однако есть основания считать, что состав мантии отвечает составу каменных метеоритов (хондритов).

Результаты анализов показывают, что в них содержатся определенные количества некоторых химических элементов, образующих относительно легкоплавкие соединения, а также элементов, входящих в состав газов и воды (табл. 4).

Таблица 4

Содержание в хондритах  химических элементов и соединений, образующих пары и газы

(по А.П. Виноградову, 1964)

Вещество мантии находится  в равновесном твердом состоянии  в условиях высоких температур и  давления. Однако это равновесное  состояние будет нарушено, если внешние  условия изменятся, например, понизится  давление или повысится температура. Тогда вещество перейдет в расплавленное, жидкое состояние. Такое явление  вполне вероятно, если внутри мантии возникнет  очаг сильного разогревания. Причиной его может служить энергия  радиоактивного распада. Расплавленная  масса, содержащая источник тепловой энергии, будет перемещаться в радиальном направлении к поверхности Земли, проплавляя при своем движении вещество мантии. При этом должна происходить  закономерная дифференциация этого  вещества.

Чтобы представить себе механизм этого процесса, мысленно проделаем  следующий опыт.

Поместим в термоустойчивую  трубку смесь соединений, обладающих различной температурой плавления. При помощи кольцевого нагревателя  расплавим узкую зону внизу трубки и затем будем медленно перемещать нагреватель вверх вдоль трубки. При подъеме нагревателя расплавится  следующая зона, а нижележащая  масса остынет и вновь закристаллизуется. По мере движения нагревателя все  вещество в трубке пройдет стадии плавления и последующей кристаллизации. Если эту операцию повторить неоднократно, то исходная смесь закономерно разделится: вверху обособятся более легкоплавкие соединения, а внизу — менее  плавкие.

Изложенный принцип «зонной» плавки был использован известным  геохимиком А.П. Виноградовым для создания модели образования земной коры. Согласно этой модели, определенные очаги расплава, перемещающиеся в радиальном направлении, обеспечили закономерную дифференциацию вещества мантии. Состав первоначально  возникающего расплава не отличался  от состава исходного материала. Но многократное повторение этого процесса обусловило разделение вещества, вынос  из мании относительно легкоплавких соединений и накопление их на поверхности  планеты.

В результате дифференциации исходного вещества происходит закономерное перераспределение химических элементов  по оболочкам Земли. Если принять, что  состав исходного вещества мантии близок к составу каменных метеоритов, то можно проследить, как менялось содержание важнейших химических элементов  в процессе образования земной коры.

В таблице 5 хорошо видно, что  выделение легкоплавких соединений из исходного вещества планеты сопровождалось прогрессирующим накоплением кремния, алюминия, кальция, калия, натрия, фтора, хлора. В то же время большая часть  железа, магния, серы оставалась в веществе мантии.

Предложены и другие модели, но независимо от тех или иных представлений  о механизме массопереноса большая  часть ученых разделяет мнение о  том, что земная кора образовалась путем  выноса из мантии легкоплавких и легколетучих химических соединений.

Таблица 5

Среднее содержание основных химических элементов в главных  типах горных пород и в каменных метеоритах, в весовых процентах

(по А.П.Виноградову)

Процесс выноса легколетучих и легкоплавких химических соединений весьма сложен. Если образование базальтовой  коры как продукта выплавления из вещества мантии не вызывает сомнений, то в процессе образования гранитного слоя еще очень много неясного. Многочисленные факты свидетельствуют, что образование крупных масс гранитов приурочено к определенной стадии развития геосинклиналей, на которой процессы регионального метаморфизма достигают своей наивысшей степени — палингенеза. При этом происходит расплавление метаморфизуемых пород под воздействием не только высоких температур и давления, но также глубинных флюидов, дегазированных из мантии. Образующийся расплав насыщается химическими элементами, поступившими в результате дегазации, состав его становится более сложным по сравнению с выплавляемыми базальтами, изливающимися на океаническом дне из глубинных разломов. Рассмотренный процесс получил название гранитизация. Возможно, что таким путем образовались огромные массы гранитных батолитов.

Активный вынос легколетучих соединений, обусловливающих гранитизацию мощных толщ осадков, происходит не повсеместно  на поверхности земного шара, а  лишь в определенных структурных  элементах земной коры — геосинклиналях. Локализация процессов активного  выноса, по-видимому, связана с неравномерным  распределением источников энергии, в  частности, масс радиоактивных элементов  в мантии. Таким образом, континенты, кора которых содержит гранитный  слой, можно рассматривать как  участки земной коры, в пределах которых особенно активно происходил вынос легколетучих и легкоплавких химических соединений из мантии. На площади  распространения океанической коры этот процесс происходил менее активно, о чем свидетельствуют не только меньшая мощность слоя выплавленных базальтов, но и бедность океанических базальтов многими химическими  элементами по сравнению с базальтами континентальной коры. По расчетам А.Б. Ронова и А.А. Ярошевского, общая  масса вещества, вынесенного из мантии в континентальную кору, составляет 22,37*10¹⁸ т, а в океаническую — почти в четыре раза меньше.

Особенно важное значение процесс образования континентальной  земной коры имел для перераспределения  металлов. Как следует из данных таблицы 6, содержание одних металлов резко возрастает в гранитном  слое по сравнению с исходным веществом  мантии,

Таблица 6

Перераспределение некоторых  редких и рассеянных химических элементов  в процессе образования земной коры, в 1-10^-3 %

а содержание других — уменьшается. В процессе выплавления вещества земной коры в мантии задерживались  металлы группы железа — никель, кобальт, хром, отчасти марганец. Поэтому  содержание никеля в породах верхних  горизонтов Земной коры по сравнению  с содержанием в исходном веществе уменьшается в десятки раз, примерно в сто раз уменьшается содержание кобальта и хрома, в тысячу раз  платины. В процессе выплавления  земной коры уменьшилось также содержание ртути, но это произошло по причине  выноса паров этого металла, поступавших  в атмосферу и растворявшихся в природных водах.