Найпоширеніші елементи земної кори
Розділ 3. РЕЧОВИННИЙ СКЛАД І БУДОВА ЗЕМНОЇ КОРИ
Земна кора, як доступніша для вивчення з усіх геосфер Землі, є безпосереднім об’єктом геологічних досліджень. В ній сконцентровані всі види мінеральної сировини необхідної для існування людства, в зв’язку з чим саме ця складова нашої планети вивчена найбільш повно і детально. Окрім того, саме земна кора є основним середовищем техногенного навантаження і з метою запобігання екологічної катастрофи необхідно всебічно вивчити її склад, будову та закони розвитку.
Речовинний склад земної кори
Земна кора складена різними за походженням групами гірських порід (магматичними, метаморфічними, осадовими), які, в свою чергу, складені мінералами, а останні хімічними елементами. Таким чином, виходячи з концепції ієрархічної організації природної речовини, про склад земної кори можна судити через послідовне вивчення хімічних елементів, мінералів і гірських порід.
Хімічний склад земної кори
Земна кора в хімічному відношенні з усіх внутрішніх геосфер Землі вивчена найбільш детально. Але і в її межах достовірні дані про хімічний склад гірських порід отримані лише для самої верхньої, доступної для спостережень частини материків, тобто до глибини 10-15 км.
Перші відомості про хімічний склад земної кори належать американському вченому Ф. Кларку, який базуючись на результатах 6000 хімічних аналізів різних гірських порід у 1889 році вирахував і опублікував середні вмісти 50 основних хімічних елементів земної кори. Пізніше ці результати уточнювалися багатьма вченими, зокрема, В.І. Вернадським, О.П. Виноградовим, Г.В. Войткевичем, О.Б. Роновим, Р. Тейлером, О.О.Ярошевським та іншими, які не тільки суттєво доповнили знання про хімічний склад земної кори, але й за пропозицією О.Є. Ферсмана ввели поняття кларків.
Кларк – це середній вміст хімічного елемента у земній корі. Розрізняють масові (вагові), атомні та об’ємні кларки. Масові кларки – це середні масові вмісти елементів, виражені у відсотках або грамах на тону. Атомні кларки відображають процентну кількість числа атомів, а об’ємні показують, який об’єм породи у відсотках займає даний елемент.
Найпоширенішими хімічними елементами в земній корі, кларки яких перевищують одиницю або близькі до неї, є кисень, кремній, алюміній, залізо, кальцій, натрій, магній, калій та водень. Вони складають більше 98% земної кори, при цьому близько 80% припадає на долю кисню, кремнію та алюмінію (табл. 3.1).
Зазначені вище елементи (окрім водню), а також вуглець, фосфор, хлор та фтор є головними складовими гірських порід, у зв’язку з чим їх називають породоутворюючими, або петрогенними. Елементи, які характеризуються незначними кларками, утворюють групу рідкісних або розсіянихелементів. Окрім цього виділяють ще металогенні елементи, що складають, головним чином, руди металевих корисних копалин. До них відносяться мідь, свинець, цинк, молібден, ртуть та інші. Проте, існують також елементи, які в природі відіграють подвійну роль: з однієї сторони вони можуть виступати як петрогенні, і входять до основного складу гірських порід, а з другої – утворюють типові сполуки металів як рудогенні. Прикладом їх можуть слугувати залізо, марганець, алюміній та інші.
Середній хімічний склад земної кори (хімічні елементи, %)
| Елементи | За Ф.В. Кларком (1924) | За О.П. Винаградовим (1962) | За О.О. Ярошевським (1988) |
| O | 49,52 | 49,13 | 47,90 |
| Si | 25,75 | 26,00 | 29,50 |
| Аl | 7,51 | 7,45 | 8,14 |
| Fe | 4,70 | 4,20 | 4,37 |
| Mg | 1,94 | 2,35 | 1,79 |
| Ca | 3,29 | 3,25 | 2,71 |
| Na | 2,64 | 2,40 | 2,01 |
| K | 2,40 | 2,35 | 2,40 |
| H | 0,88 | 0,15 | 0,16 |
Нерівномірність поширення хімічних елементів у земній корі є однією з особливостей її хімізму. Це також знайшло відображення в періодичній системі Д.І. Мендєлєєва. Так, кларки перших 30 елементів системи (від водню до цинку), здебільшого, складають цілі і десяті частки відсотків, кларки ж інших елементів лише в поодиноких випадках досягають тисячних часток відсотка.
Наочніше характер поширення хімічних елементів у земній корі виражається напівлогарифмічною кривою О.Є. Ферсмана (рис. 3.1), де на осі абсцис показані порядкові номери елементів періодичної системи, а на осі ординат – логарифми кларків. Як видно з діаграми, значення кларків більшості елементів займають положення поблизу трендової лінії. Ці елементи відносяться до елементів з нормальною поширеністю. Вище середньої кривої знаходяться надлишкові елементи, до яких відносяться практично всі петрогенні, а нижче цієї кривої розташовані елементи, які дістали назву дефіцитних. Це – благородні гази, берилій, гелій, селен, платиноїди, літій та інші.
Рис. 3.1. Логарифми кларків хімічних елементів земної кори (за О.Є. Ферсманом)
Абсолютна більшість хімічних елементів являють собою групу атомів з різним масовим числом, але з однаковим зарядом, тобто – це асоціації ізотопів. В земній корі існує більше 360 ізотопів. Окремі хімічні елементи складаються з декількох ізотопів. Наприклад, олово має десять ізотопів, ксенон – дев’ять, кадмій і телур по вісім. Такі елементи називаються складними. Існують також і прості хімічні елементи, які не мають ізотопів. До них належать залізо, натрій, фосфор, ванадій, марганець, золото та інші, всього 22. Ізотопний склад складних хімічних елементів залежить від їх походження. Так, свинець, до складу якого входять чотири ізотопи (Pb 204 , Pb 206 , Pb 207 ,Pb 208 ), може бути урановим, як продукт розпаду урану з ізотопом Pb 206 , або торієвим з ізотопом Pb 204 (продукт розпаду торію).
Помилковим було б вважати, що саме елементи з високими кларками утворюють родовища корисних копалин. В даному випадку основна роль належить не кларковим вмістам, а властивостям того або іншого елементу утворювати значні концентрації. Наприклад такі метали як галій, цезій, берилій з високими кларками не утворюють самостійних родовищ, і навпаки більш рідкісні елементи, такі як вісмут, ртуть, золото, срібло, можуть утворювати промислові концентрації. Це пояснюється тим, що кларкові вмісти хімічних елементів залежать від будови атомного ядра, а властивість елементів утворювати промислові концентрації – від хімічних властивостей атомів і стійкості зв’язків зовнішніх електронів. Тобто у здатності атомів віддавати або приєднувати електрони і, таким чином, утворювати сполуки. Однією з форм існування таких сполук хімічних елементів є мінерали, як наступний рівень організації земної речовини.
Тема 4.
Контрольні питання
1. Чому атмосфера, гідросфера і біосфера Землі знаходяться в постійному русі?
2. Назвіть головні компоненти повітря і поясніть їх походження.
3. У чому полягає захисна роль озонового шару для органічного життя на Землі?
4. Поясніть чому в більш щільних середовищах швидкості поширення сейсмічних хвиль зростають?
5. Як за допомогою сейсмічних хвиль отримуються дані про існування та агрегатний стан ядра Землі?
6. Які геосфери Землі перебувають в рідкому агрегатному стані і чому?
7. Яка середня щільність Землі і яким чином її визначили?
8. Накресліть розріз Землі та охарактеризуйте склад основних її оболонок.
10. Назвіть фактори, від яких залежить величина сили ваги в будь-якому пункті поверхні Землі.
11. Які джерела теплової енергії формують внутрішню геотермічну зону теплового поля?
Речовинний склад земної кори. Геологічне літочислення (геохронологія)
Різноманітні мінерали а разом з ними і гірські породи земної кори складаються з різних хімічних елементів. Тому характеристика речовинного складу земної кори починається саме з цього – хімічного рівня організації речовини в природі.
Одне з основних питань вивчення хімії земної кори – визначення середніх величин процентного вмісту в ній окремих хімічних елементів. Такі параметри необхідні для встановлення закономірностей міграції елементів у земній корі з метою розробки методів пошуку їх родовищ. Без даних про середній вміст елементів неможливо також оцінювати перспективи нових рудопроявленнь, планувати напрямок пошуків і розвідки окремих видів корисних копалин, вирішувати багато інших завдань.
Єдиним способом одержання інформації про середні вмісти є масове випробовування гірських порід земної кори і визначення елементарного хімічного складу відібраних зразків. Перед початком таких робіт було ясно, що випробовування повинне охоплювати усю різноманітність гірських порід на всіх континентах, що вірогідність результатів буде прямо залежати від загальної кількості проб, які прийняті для розрахунків. Такий підхід був зумовлений надзвичайною складністю будови земної кори.
Роботи, які пов’язані із вивченням середніх вмістів окремих хімічних елементів, почали проводитися наприкінці XIX сторіччя американським геохіміком Ф.В. Кларком, який до 1924 року узагальнив дані близько 6000 хімічних аналізів порід. З метою уточнення результатів роботи проводилися й у наступні періоди. Кількість проб надалі збільшилася в багато разів. Це дозволило уточнити результати, але для більшості елементів мало змінило первісні дані.
Кларки хімічних елементів. Середні масові частки хімічних елементів у земній корі одержали назву кларків за іменем першого їх дослідника. Елементи, які найбільш поширені в земній корі наведені нижче.
| Елементи | За Ф.В. Кларком (1924 р.) | За О.П. Вино-градовим (1949 р) | За О.О. Ярошевським і А.Б. Роновим(1976 р) |
| Кисень | 49,52 | 47,20 | 46,50 |
| Кремній | 25,75 | 27,60 | 25,70 |
| Алюміній | 7,51 | 8,30 | 7,65 |
| Залізо | 4,70 | 5,10 | 6,24 |
| Кальцій | 3,29 | 3,60 | 5,79 |
| Натрій | 2,64 | 2,64 | 1,81 |
| Магній | 1,94 | 2,10 | 3,23 |
| Калій | 2,40 | 2,60 | 1,34 |
| У сумі (%) | 97,75 | 99,14 | 98,26 |
За А.Б. Роновим і О.О. Ярошевським відносно великі кларки мають ще 5 елементів:
| Титан Вуглець Водень Марганець Сірка | 0,52 0,46 0,16 0,12 0,11 |
У сумі вони дають 1,37%, що разом з найбільш поширеними елементами складає 99,63%. Таким чином, усі інші (понад вісімдесят) елементи таблиці Д.І. Менделєєва складають лише 0,37% маси земної кори. Це найбільш важлива і цікава особливість, яка пояснює всю складність пошуків, розвідки і видобутки багатьох корисних копалин.
Приклади кларків деяких елементів (за О.Є. Ферсманом):
| Сірка Мідь Молібден Ртуть Срібло | 0,1 0,01 0,001 1·10 -4 1·10 -5 |
Найбільш поширені вісім елементів, а також вуглець, фосфор, хлор, фтор і деякі інші відіграють головну роль в утворенні мінералів і гірських порід. Їх називають породоутворюючими або петрогенними елементами.
Становлення хімічного складу земної кори. Хімічний склад кори формувався поступово протягом усього часу її існування. І цей процес продовжується, тому що продовжуються ендогенні та екзогенні процеси. Вони викликають безупинну міграцію хімічних елементів, їх розсіювання, або навпаки – концентрацію в окремих частинах кори. Вивченням особливостей та закономірностей міграції хімічних елементів у земній корі займається геохімія.
Основним механізмом становлення земної кори і її хімічного складу є процес диференціації (розділення) речовини верхньої мантії. Цей процес активніше здійснювався на ранніх стадіях розвитку Землі, коли за умов високих температур мантійна речовина перебувала переважно у розплавленому, рухливому стані. Але й зараз диференціація мантії продовжується за допомогою магматичних явищ. Унаслідок цього з мантії вилучаються переважно легкоплавкі сполуки (K2O, NaО, SiО2,Al2O3), які й складають основну масу земної кори.
Атоми хімічних елементів у земній корі, як відзначалося раніше, утворюють різноманітні сполуки – мінерали.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Є найпоширеніший хімічний елемент і найбільш поширена речовина на нашій дивовижній планеті, а є найпоширеніший хімічний елемент на просторах Всесвіту.
Найпоширеніший хімічний елемент на Землі
На його частку припадає трохи більше ніж сорок сім відсотків всієї твердої маси земної кори. Зв’язаний кисень становить майже вісімдесят дев’ять відсотків маси прісної і морської води. Вільний кисень знаходиться в атмосфері, складаючи близько двадцяти трьох відсотків маси і майже двадцять один відсоток обсягу. Не менше півтора тисяч з’єднань земної кори містять кисень. На світі не існує живих клітин, в яких не було б цього поширеного елемента. Шістдесят п’ять відсотків маси кожної живої клітини – це кисень.
Сьогодні дана речовина отримують промисловим шляхом з повітря і постачають його під тиском 15 МПа в сталевих балонах. Існують і інші способи його отримання. Сфери застосування – харчова промисловість, медицина, металургія та ін.
Де зустрічається найпоширеніший елемент?
Знайти в природі куточок, де не було б кисню, практично неможливо. Він скрізь – і в надрах, і високо над Землею і під водою, і в самій воді. Зустрічається він не тільки в сполуках, але і вільному стані. Швидше за все, саме з-за цього для вчених даний елемент завжди представляв інтерес.
Геологи і хіміки займаються вивченням наявності кисню в з’єднанні з усіма елементами. Ботанікам цікаво досліджувати процеси живлення і дихання рослин. Фізіологи до кінця не з’ясували роль кисню в житті тварин і людини. Фізики прагнуть знайти новий спосіб його використання для створення високих температур.
Відомо, що не залежно від того, жаркий це південний повітря або холодне повітря північних районів, вміст у ньому кисню завжди однаково і становить двадцять один відсоток.
Як використовують найпоширеніша речовина?
Як найпоширеніше з відомих речовин планети, вода використовується повсюдно. Цією речовиною все охоплено і пронизане, однак воно так і залишається мало вивченим. Поглибленим її вивченням сучасна наука зайнялася порівняно недавно. Вченими було виявлено безліч не піддаються поки поясненню її властивостей.
Без цього найпоширенішого речовини не обходиться ні єдина господарська діяльність людини. Складно уявити собі сільське господарство чи промисловість без води, так само без цієї речовини не будуть працювати ядерні реактори, турбіни, енергетичні установки, де вода використовується для охолодження. Для побутових потреб люди використовують з року в рік все більший обсяг даної речовини. Так людині кам’яного віку в день було цілком достатньо десяти літрів води. Сьогодні ж на частку кожного жителя Землі щодня у сукупності використовується не менше двохсот двадцяти літрів. Люди складаються з води на вісімдесят відсотків, щодня кожен день споживає не менше півтора літрів рідини.
Найпоширеніший хімічний елемент у Всесвіті
Три четвертих всій Всесвіту – це водень, іншими словами – це і є самий поширений елемент у Всесвіті. Вода, будучи найбільш поширеним речовиною нашої планети, більш ніж на одинадцять відсотків складається з водню.
У земній корі водню по масі один відсоток, проте, за кількістю атомів – цілих шістнадцять відсотків. Не обходяться без присутності водню такі сполуки, як природні гази, нафта і вугілля.
Треба зазначити, що у вільному стані цей поширений елемент зустрічається вкрай рідко. На поверхні нашої планети він в малих кількостях присутній у деяких природних газах, у тому числі і у вулканічних. Є вільний водень в атмосфері, але його присутність там надзвичайно мало. Саме водень той елемент, який створює внутрішній радіаційний пояс земної, як потік протонів.
З водню приблизно на п’ятдесят відсотків складаються зірки і сонце, де він присутній у вигляді плазми. З нього складається більша частина міжзоряного середовища, а так само газів туманностей. Присутній водень так само в атмосферах планет і в кометах.
Мантія і земне ядро недоступні для безпосередніх досліджень і уявлення про їхню геохімію засновані на непрямих, головним чином, геофізичних, даних. Більшість теорій у цій області носить характер гіпотез, хоча вихідні геофізичні дані безперечні. Так, встановлено, що середня щільність Землі становить 5,52г/см 3 , а порід земної кори 2,8 г/см 3 . Звідси випливає висновок про високу щільність земних глибин. Це може бути пов’язано зі зміною елементарного складу, наприклад, із збільшенням кількості важких металів (Fе, Ni) із глибиною, або ж із фазовими перетвореннями легких мінералів.
На материках на глибині більш 35-70 км швидкість поширення сейсмічних хвиль стрибкоподібно зростає з 6,5—7 до 8 км/с. Причини росту швидкості хвиль цілком не з'ясовані. Думають, що на цій глибині, відбувається зміна як елементного, так і мінерального складу речовини. Глибина, на якій відбувається стрибкоподібна зміна швидкості сейсмічних хвиль, одержала назву лінії Мохоровичича. Прийнято вважати, що границя Мохо є нижньою межею земної кори і верхньою – мантії. Найбільшу потужність земна кора має під гірськими хребтами (до 70 км), а найменшу – на дні океанів (до 15 км).
В межах земної кори швидкість поширення сейсмічних хвиль теж неоднакова. Тому виділяють границю Конрада, що відділяє гранітний шар земної кори від базальтового.
Вперше дослідження по встановленню вмісту хімічних елементів у земній корі були проведені американським вченим Ф.У. Кларком. На честь нього терміном “кларк” у геохімії називають середній уміст хімічного елемента в земній корі, якій-небудь її частині, Землі в цілому, а також у планетах і інших космічних об’єктах, що виражається у процентній формі.
Закон всезагального розсіяння хімічних елементів (Кларка-Вернадського): усі елементи є скрізь – в кожному грамі гірської породи, в кожній краплині води, лише низька чутливість сучасних методів аналізу не дозволяє іноді визначити вміст того чи іншого елемента в будь-якому природному об’єкті.
Отже, при аналізі таблиці 1.1.1 видно, що майже половина твердої земної кори складається з одного елемента – кисню. На другому місці стоїть кремній (29,5%), на третьому – алюміній (8,05%). В сумі ці елементи складають 84,55%. Якщо до них ще добавити залізо (4,65%), кальцій (2,96%), калій (2,50%), натрій (2,50%), магній (1,87%), титан (0,45%), то отримаємо 99,48%. Інші (більш ніж 80 елементів) займають трохи більше 0,5%. Тобто, їх вміст в земній корі не перевищує 0,01-0,0001%. Такі елементи в геохімії прийнято називати рідкими. Якщо для рідкого елемента не характерна здатність до концентрації, то такі елементи іменуються рідкими розсіяними. Наприклад, у урану й брому кларки приблизно однакові, але для урану відомо 104 мінерали, а для брому лише 1. Крім того, уран утворює родовища, а бром – ні. Тому уран належить до рідких елементів, а бром до рідких розсіяних.
Таблиця 1.1.1. Уміст хімічних елементів
| Вміст хімічних елементів | ||
| в земній корі | в мантії | середній склад Землі |
| O – 47% | O – 35% | Fe – 35% |
| Si – 29.5% | Fe – 25% | O –30% |
| Al – 8.05% | Si – 18% | Si – 15% |
| Fe – 4.65% | Mg – 14% | Mg – 13% |
| Ca – 2.96% | S – 2.0% | Ni – 2.4% |
| Na – 2.50% | Al – 1.3% | S – 1.9% |
| K – 2.50% | Ca – 1.4% | Ca – 1.1% |
| Mg – 1.87% | Ni – 1.35% | Al – 1.1% |
| Ti – 0.45% | Na – 0.7% | Na – 0.57% |
| Cr – 0.25% | ||
| Mn – 0.20% |
Основні закономірності поширення хімічних елементів у земній корі:
1. В земній корі переважають легкі атоми, що займають перші клітинки періодичної таблиці хімічних елементів (до заліза – №26), ядра яких містять невелику кількість протонів і нейтронів.
2. В земній корі переважають елементи з парними порядковими номерами і з парними атомними масами. Особливо великі кларки елементів, атомна маса яких кратна 4 (кисень, кремній, магній, кальцій і т.д.). На ці елементи, за підрахунками А.Є. Ферсмана, припадає 86,3%.
Така картина пояснюється наступним: на початкових стадіях розвитку нашої планети речовина була розігріта до температури в десятки мільйонів градусів. При такій температурі не могли існувати атоми чи молекули – речовина існувала у вигляді розпеченої плазми з вільними електронами і ядрами й у ній відбувались атомні реакції. Найбільша ймовірність утворення ядер із невеликим, причому парним, числом протонів і нейтронів, бо такі ядра найбільш стійкі.
Це дало можливість В.М. Гольдшмідту сформулювати основний геохімічний закон: абсолютна кількість елементів, тобто кларки, залежать від будови атомного ядра; розподіл же елементів, пов’язаний із їх міграцією, – від електронів на зовнішньому електронному рівні.
Уявлення про внутрішню будову Землі науковці склали собі, головно, за допомогою дослідження швидкості проходження сейсмічних хвиль, що виникають під час землетрусів. Безпосередні спостереження доступні поки що лише на невеликих глибинах: найглибша свердловина пройшла в земну товщу всього на 12 км (Кольська надглибока).
У будові Землі виокремлюють три основні шари: земну кору, мантію і ядро.
Верхню тверду оболонку Землі називають земною корою. ЇЇ середня потужність становить близько 20 км, у гірських країнах - 50-75 км і 5-10 км - у межах океанічних і морських западин. Природні речовини, якими утворена земна кора, називають гірськими породами.
З глибиною у надрах Землі зростає тиск і збільшується температура. У цент-ральній частині планети температура, за розрахунками вчених, становить близько 5000 °С. У верхніх шарах на кожні 100 м глибини вона зростає на З °С. Тому стан речовин, що утворюють Землю, на різних глибинах має значні відмінності. Беручи це до уваги, у внутрішній частині планети виокремлюють окремі шари, основні з яких мантія і ядро.
Мантія поширюється до глибини 2900 км. У її верхній частині є шар, у якому породи перебувають у пластичному розрідженому стані. Його називають астеносферою. Верхня межа цього шару знаходиться на глибині 50 км під океанами і до 110 км під материками, а нижня відповідно на глибинах 400 і 250 км. Над астеноферою є твердий надастеносферний шар мантії, що разом із земною корою утворює оболонку Землі, яку називають літосферою. Вони міцно пов'язані одна з одною і становлять одне ціле.
Ядро знаходиться на глибинах нижчих 2900 км, тобто радіус ядра становить 3470 км, або більше половини радіуса Землі. За даними сейсмології, припускають, що внутрішня частина ядра - тверда, а у зовнішній його частині речовини знаходяться у розплавленому рухливому стані. Саме тут через обертання планети виникають електричні струми, які й створюють магнітне поле Землі.
Внаслідок зустрічних рухів мантійних потоків підвищилася температура земних надр, у центрі сформувалося важке ядро, утворене переважно залізом та нікелем. Легкі речовини (кремній, алюміній), зібравшись у поверхневому шарі планети, остигали, утворюючи первинну земну кору. З розплаву одночасно виділялися гази і водяна пара, що сформували первинну атмосферу і гідросферу.
Земна кора – верхній твердий шар нашої планети.
Земна кора складається з магматичних, осадових і метаморфічних гірських порід.Магматичні породиутворюються при затвердінні магми, що надходить з верхніх шарів мантії. Якщо магма проникає по тріщинах у земну кору і і на глибині повільно застигає в умовах високого тиску, то утворюються інтрузивні гірські породи (граніт, габро та ін.). При виливанні магми на земну поверхню і швидкому остиганні її формуються ефузивні гірські породи (базальт, вулканічний туф та ін.).
Осадові породи утворюються на земній поверхні під дією зовнішніх (екзогенних) сил, переважно внаслідок вивітрювання. Це процес подрібнення та хімічних змін гірських порід внаслідок температурних коливань, хімічного впливу атмосфери, води та організмів. Розрізняють вивітрювання фізичне, хімічне й органічне. Фізичне вивітрювання - це процес подрібнення і розпушування гірських порід під впливом різких змін температури, замерзання води у тріщинах. Руйнування гірських порід під дією води і повітря (кисню та вуглекислого газу) називають хімічним вивітрюванням. На відміну від фізичного, хімічне вивітрювання не лише руйнує породи, а й змінює їх мінералогічний склад. Адже гірські породи складаються з одного або декількох мінералів (речовин однорідного складу).
Органічним вивітрюванням називають руйнування і розпушування гірських порід корінням рослин та розчиненням мінералівкислотами рослин і мікроорганізмів, що поселяються на гірських породах.
Пухкий матеріал, створений вивітрюванням, залишається на місці або переноситься текучими водами, вітром, льодовиками. Перенесені й відкладені продукти вивітрювання - цеосадові гірські породи. Ті з них, що формуються при руйнуванні і наступному відкладенні різних гірських порід, називають уламковими породами (глина, пісок, валуни та ін.). За рахунок хімічних взаємодій, розчинення і випадання в осад з розчинів (морської води, вод солоних озер, підземних вод) утворюються осадові породи хімічного походження (солі, гіпси, вапняки, бЬксити, фосфорити, руди деяких металів та ін.). Наслідками життєдіяльності організмів є органогенні породи (вапняк-черепашник, крейда, кам’яне вугілля, нафта й ін.).
Метаморфічні породивиникають унаслідок зміни (метаморфізму) осадових та магматичних гірських порід, що опинилися на значній глибині. Під впливом високих температур і тиску, а також гарячих розчинів і газів, що піднімаються з мантії, вони перекристалізовуються, змінюють свої властивості. Граніт перетворюється у ще твердіший гнейс, вапняк - у мармур, вугілля - у графіт. У процесі метаморфізму утворюються також уранові руди, алмази та інші дорогоцінні камені.
Земна кора складена осадовими та кристалічними породами магматичного і метаморфічного походження. Однак вона неоднорідна за складом і будовою, товщиною. Розрізняють два основних типи земної кори: материкову (континентальну) й океанічну.
Материкова земна кора має загальну потужність близько 60-75 км у гірських районах та 30-40 км — на рівнинах. Складається вона із трьох шарів: осадового потужністю до 20-25 км, гранітного (гранітно-гнейсового) і 6азальтового.
Загальна потужність океанічної земної кориу середньому становить 5-10 км. Вона складена двома основними шарами. Вгорі залягає малопотужний (у середньому - близько 1 км) шар пухких морських відкладів кременисто- карбонатного складу. Під ним лежить базальтовий иіар. Гранітного шару між осадовим і базальтовим немає.
Таким чином, океанічна земна кора відрізняться від материкової за потужністю, будовою, а також за віком (не більше 160-180 млн років). Оскільки прибережні акваторії Світового океану до ізобати 1000 м і більше маютьземну кору материкового типу, то площа останньої становить близько 40 відсотків від площі всієї твердої оболонки Землі.
-
Олег Баратов 2 years ago Views:
1 Основні мінерали земної кори Мінералами називаються природні хімічні сполуки або окремі хімічні елементи, які утворилися в результаті фізико-хімічних процесів, що відбуваються в земній корі та на її поверхні. Більшість мінералів знаходяться у кристалічному стані, тобто утворюють кристали, і лише незначна їх кількість в аморфному (від грец. аморфос безформений). Кристали, як багатогранні геометричні тіла бувають самих різноманітних форм, від звичайних правильних кубів до дванадцятигранників(рис. 3.2). За ступенем складності будови кристали діляться на шість груп, або систем, які називаються сингоніями. Розрізняють наступні сингонії: кубічну, тетрагональну, гексагональну (яка може бути поділена на гексагональну та тригональну підсингонії), ромбічну, моноклінну і триклінну. Рис Форми кристалів Форма кристалів залежить від закономірності розташування в просторі елементарних часток атомів, іонів, молекул. Упорядковане розташування останніх у просторі утворює структуру кристалів, або їх кристалічну (просторову) гратку. Характер будови кристалічної гратки залежить від фізико-хімічних і термодинамічних умов формування мінералу. В різних умовах з однієї і тієї ж речовини можуть утворюватися різні за формою кристали. Так, наприклад, кварц при високих температурах кристалізується в гексагональній підсингонії, а при низьких в тригональній. Іншим прикладом можуть бути графіт і алмаз, які складаються з одного й того ж хімічного елементу вуглецю. Проте, графіт є одним з м яких мінералів і утворює таблитчасті кристали гексагональної сингонії, а алмаз відноситься до кубічної сингонії і є найтвердішим мінералом земної кори. Така різниця фізичних властивостей двох мінералів однакового хімічного складу, спричинена, насамперед, різною будовою кристалічної гратки (рис. 3.3), тобто різним розташуванням у просторі атомів одного й того ж хімічного елементу, в даному випадку вуглецю. Причиною такого явища, коли з речовини однакового хімічного складу утворюються різні за будовою кристалічної гратки, формою кристалів і фізичними властивостями мінерали, є відмінність фізико-хімічних умов їх формування, а саме явище називається поліморфізмом (від грец. поліморфоз багатоформений). В кристалічних гратках кристалів розташування елементарних часток і характер зв язку між ними в паралельних напрямках однакові, а в непаралельних різні, що і обумовлює різні їх фізичні властивості (теплопровідність, електропровідність, твердість тощо) в цих напрямках. Таке явище називається анізотропією кристалічної речовини. В аморфних твердих тілах, які Рис Кристалічні гратки алмазу (а) і графіту (б) характеризуються безладним
2 неупорядкованим розташуванням елементарних часток усі фізичні властивості в усіх напрямках однакові. Такі аморфні мінерали називають ізотропними. В природі мінерали можуть зустрічатися у вигляді окремих кристалів, їх закономірних зростків (двійників) або утворювати скупчення мінеральних зерен, які називаються мінеральними агрегатами. Окремі ізольовані кристали та їх двійники утворюються в сприятливих для росту умовах. Форма та розміри кристалів можуть бути найрізноманітнішими і відображають, як склад і внутрішню будову самого мінералу, так і умови його утворення. Мінеральні агрегати утворюють друзи, секреції, мигдалини, жеоди, конкреції (рис. 3.4), ооліти, сталактити та сталагміти. Друзи це скупчення кристалів, які приросли до стінки печери або тріщини. Секреції утворюються в результаті поступового заповнення закритих порожнин мінеральною речовиною, яка відкладається на їх стінках. Вони характеризуються концентричною будовою, яка відображає стадійність їх формування. Великі секреції називаються жеодами, а дрібні, розміром до 1,0-1,5 см, що утворилися при застиганні лави під водою мигдалинами. Конкреції це тіла відносно правильної сферичної форми, які утворюються в результаті концентрації мінеральної речовини навколо якого-небудь центру кристалізації і характеризуються концентричною або радіально-променевою будовою. Дрібні сферичні утворення концентричної будови називаються оолітами. Вони утворюються в результаті кристалізації мінеральної речовини в рухомому водному середовищі. В результаті просочування підземних вод збагачених мінеральними речовинами на поверхні порожнин, здебільшого печер, також відбувається кристалізація речовини у вигляді різноманітних натічних утворень серед яких найбільш поширеними є сталактити та сталагміти. Сталактити це бурулькоподібні тіла які звисають зі склепінь печер, а сталагміти ростуть догори з дна печер назустріч сталактитам. В природі найпоширенішими є мінеральні агрегати кристалічної, аморфної або прихованокристалічної будови, які складають товщі порід. Вони утворюються при майже одночасному випаданню з розчинів або розплавів численних мінеральних часточок (зерен). У кристалічних агрегатах мінерали знаходяться в кристалічному стані, але їх зерна мають неправильну форму. В залежності від умов кристалізації розмір зерен змінюється від великих, при повільній кристалізації, до тонкозернистих, коли процес кристалізації відбувається дуже швидко. В жилах кристалічні агрегати здебільшого характеризуються масивною будовою, і окремі зерна, практично, не розрізняються. Аморфні мінеральні агрегати це однорідні щільні або землисті маси з характерним матовим, восковим або слабким жирним блиском. Зовні на них дуже схожі прихованокристалічні агрегати і розрізнити їх можна тільки мікроскопічно. Це колоїдні системи, які складаються з тонкодисперсних кристалічних часток. а б в г Рис Мінеральні агрегати.
3 а друза кристалів кварцу; б секреція складена з агату та халцедону; в жеода складена з зерен кварцу і халцедону; г конкреція марказиту. В природі трапляються також мінеральні утворення, які складають не характерні для них форми. Це так звані псевдоморфози (від грец. псевдо обманливий). Вони утворюються при хімічних змінах, або при заміщенні раніше існуючих мінералів новими, а також при заповненні порожнин, що утворилися в результаті вилуговування яких-небудь мінеральних або органічних включень. Як приклади можна навести псевдоморфози лімоніту по піриту, коли кубічні кристали піриту в результаті певних хімічних перетворень перетворюються в прихованокристалічний лімоніт із збереженням форми кристалів, або заміщення опалом деревини. Внутрішня будова мінералів і хімічний склад зумовлюють їх фізичні властивості, які лежать в основі всіх мінералогічних методів досліджень і є першочерговими ознаками при діагностиці (визначенні) мінералів. Загалом фізичні властивості мінералів можна розділити на три групи: морфологічні, що характеризують геометричну форму кристалів і, як зазначалось вище, серед яких розрізняють шість сингоній кубічну, тетрагональну, гексагональну, ромбічну, моноклінну і триклінну; оптичні, що включають колір мінералу, забарвлення його порошку, прозорість мінералу та полиск; і механічні, до яких належать злам, спайність, і твердість мінералу. За цими властивостями проводиться макроскопічне визначення мінералів і найбільш об єктивною діагностика є коли вона проводиться шляхом визначення всіх властивостей. Колір мінералів залежить від їх хімічного складу, як основного, так і домішок, структури, механічних домішок, а також внутрішньої неоднорідності. В зв язку з цим один і той же мінерал може мати різне забарвлення, а різні мінерали однаковий колір. Колір мінералу також може змінюватись завдяки інтерференції світла на поверхні кристалів. Таке явище називається ізизацією і проявляється у вигляді різнокольорових плям на гранях мінералу. Для непрозорих і густозабарвлених напівпрозорих мінералів важливою діагностичною ознакою є колір порошку мінералу. Він може бути таким самим як і колір мінералу, а може і відрізнятися. Для визначення кольору порошку застосовують фарфорову пластинку, яка називається бісквіт. При проведенні такою пластинкою по шорсткуватій поверхні мінералу на ній залишається риска, колір якої відповідає кольору порошку. Прозорість, яка характеризується властивістю мінералу пропускати промені світла, залежить від будови та однорідності мінеральних скупчень. За цією ознакою мінерали поділяються на прозорі, що пропускають світло як звичайне скло; непрозорі, які не пропускають світла; напівпрозорі або такі що просвічують подібно до матового скла; такі, що просвічують лише в тонкій пластинці. Полиск залежить від показника заломлення променів світла в мінералі та від здатності їх відбивати. Розрізняють мінерали з металевим полиском, до яких відносяться здебільшого непрозорі мінерали з темнозабарвленою рискою; полиск металоїдний або напівметалевий, який нагадує полиск потемнілого металу; алмазний, скляний, жирний, перламутровий, шовковистий, восковий та матовий полиски. Злам визначається характером поверхні по якій розколюється мінерал. Вона може нагадувати поверхню ребристої черепашки, тоді говорять про раковистий злам; може бути нерівною нерівний злам; може нагадувати скалки скалкуватий або голчастий злам. Для дрібнозернистих агрегатів здебільшого характерний землистий злам. Спайність це властивість кристалічних мінералів розколюватися по рівних поверхнях, що називаються площинами спайності, які відповідають напрямкам найменшого зчеплення часток у кристалічній структурі мінералу. В залежності від того наскільки легко відбувається розщеплення мінералу виділяють такі ступені спайності дуже досконала, коли мінерал легко розщеплюється на тонкі пластинки; досконала, якщо розщеплення мінералу на тонкі пластинки відбувається під дією певної сили, наприклад удару; середня, коли при ударі мінерал розколюється як по площинах так і нерівному зламу; недосконала, якщо на фоні нерівного зламу рідко спостерігаються сколи по площинах; дуже недосконала, коли завжди утворюється нерівний або раковистий злам. Спайність може бути вираженою в одному, двох, трьох і, рідко, чотирьох напрямках. Твердість це властивість мінералу протистояти зовнішній механічній дії. Здебільшого при діагностиці мінералів визначається відносна твердість мінералу шляхом застосування еталонної шкали твердості, яка одержала назву шкали Мооса. Така шкала твердості включає десять мінералів, розташованих в порядку збільшення їх твердості (табл. 3.2).
4 Для визначення твердості мінералів можна також використовувати підручні предмети, твердість яких близька до твердості мінералів еталонів. Так, твердістю 1 володіє грифель м якого олівця; 2-2,5 ніготь, 4 металевий цвях, 5 скло, 5,5-6 сталевий ніж, або голка. Шкала твердості Таблиця 3.2. Мінерал Твердість Тальк 1 Гіпс 2 Кальцит 3 Флюорит 4 Апатит 5 Ортоклаз 6 Кварц 7 Топаз 8 Корунд 9 Алмаз 10 Сьогодні відомі понад 2500 природних мінералів, але тільки близько 50 з них є найпоширенішими і утворюють практично всі гірські породи земної кори. Такі мінерали називаються породоутворюючими. Інші мінерали в гірських породах зустрічаються у незначних кількостях і їх називають акцесорними мінералами (від латин. акцессоріус додатковий). Сучасна класифікація мінералів грантується на їх хімічному складі, кристалічній структурі та генезисі, тобто походженні. До найпоширеніших породоутворюючих мінералів належать мінерали наступних класів: самородних елементів, сульфідів, галоїдних сполук, оксидів та гідроксидів, карбонатів, сульфатів, фосфатів і силікатів. Клас самородних елементів об єднує близько 45 мінералів, складених з одного хімічного елементу. Це такі мінерали як самородне золото Au, срібло Ag, мідь Cu, платина Pl, графіт C, алмаз C, сірка S та інші. Вони складають не більше 0,1 вагового % земної кори, а найпоширенішими серед них є графіт та сірка. Клас сульфідів об єднує мінерали які є сполуками різних елементів з сіркою. Вони, як самородні елементи, займають підпорядковане положення в будові земної кори, але включають низку важливих рудоутворюючих мінералів. Найбільш поширеними серед них є: пірит (сірчаний колчедан) FeS 2, халькопірит (мідний колчедан) CuFeS 2, галеніт (свинцевий полиск) PbS, сфалерит (цинкова обманка) ZnS, молібденіт (молібденовий полиск) MoS 2 і кіновар (з арабської кров дракона ) HgS та інші. До класу галоїдних сполук належать мінерали, які є солями фтористо-, бромисто-, хлористо- та йодистоводневих кислот. Найпоширенішими серед них є хлористі і фтористі сполуки, такі як галіт (кухонна сіль) NaCl, сільвін KCl, карналіт MgCl 2 KCl 6H 2 O і флюорит (плавиковий шпат) CaF 2. Клас оксидів і гідроксидів об єднує мінерали, представлені сполуками різних елементів з киснем (оксиди) і з киснем та гідроксильною групою ОН (гідроксиди). Мінерали цього класу діляться на дві групи: оксиди та гідроксиди кремнію (група кварцу) і оксиди та гідроксиди металів. Найпоширенішим серед мінералів даного класу є кварц SiO 2. Він складає близько 12 вагових % земної кори і входить до складу майже всіх генетичних типів гірських порід. Гідроксид кремнію представлений мінералом, який називається опал (SiO 2 nh 2 O). Найпоширенішими і основними рудоутворюючими мінералами оксидів і гідроксидів металів є магнетит (магнітний залізняк) FeFe 2 O 4, гематит (залізний полиск, або червоний залізняк) Fe 2 O 3, корунд Al 2 O 3, хроміт (хромітовий залізняк) FeCr 2 O 4, уранініт (чорний діоксид урану) UO 2, лімоніт (бурий залізняк) Fe 2 O 3 nh 2 O, який являє собою мінеральний агрегат близьких за складом мінералів гетиту FeOOH та гідрогетиту FeОOH nh 2 O, гібсит Al(OH) 3, діаспор AlO(OH) та інші. Найпоширенішими в земній корі мінералами класу карбонатів є кальцит (вапнистий шпат) CaCO 3, прозорий різновид якого називається ісландським шпатом, доломіт CaMg(CO 3 ) 2, сидерит (залізний шпат) FeCO 3 і магнезит MgCO 3. Серед мінералів класу фосфатів найбільше практичне значення мають апатит Ca 5 (F,Cl)[PO 4 ] 3 та близький до нього за хімічним складом прихованокристалічний фосфат кальцію - фосфорит.
5 Клас сульфатів об єднує мінерали, які є солями сірчаної кислоти. Найпоширенішими з них є гіпс CaSO 4 2H 2 O, ангідрит, (безводний сульфат кальцію) CaSO 4, мірабіліт (глауберова сіль) Na 2 SO 4 10H 2 O барит (важкий шпат) BaSO 4. Найпоширенішими в земній корі є мінерали класу силікатів. Вони складають близько 90 вагових % кори та входять до складу гірських порід усіх типів. Це дуже складні за хімічним складом та внутрішньою будовою мінерали. В основі кристалічної гратки всіх силікатів лежить іонна чотирьохвалентна група SiO 4, яка утворює геометричну фігуру, що називається тетраедром (від грец. тетра чотири і гедра грань). Різноманітне поєднання таких тетраедрів (рис. 3.5.) зумовлює структуру силікатів. За характером будови внутрішньої структури всі силікати діляться на острівні, кільцеві, ланцюжкові, стрічкові, шаруваті та каркасні. Острівні силікати це мінерали структура яких представлена ізольованими тетраедрами [SiO 4 ] з приєднаними до них іонами інших елементів. Найпоширенішим мінералом силікатів цієї групи є олівін (Mg, Fe) 2 [SiO 4 ]. Кільцеві силікати вирізняються тим, що в них кремнекисневі тетраедри з єднюючись між собою утворюють кільця. Характерними їх представниками є берил Be 3 Al 2 [Si 6 O 18 ] і кордієрит (Mg Fe 2 )Al 3 [Si 5 AlO 18 ]. Ланцюжкові силікати це мінерали структура яких нагадує низку безперервних ланцюжків тетраедрів. До них відноситься група піроксенів серед яких найпоширенішими мінералами є гіперстен (Mg,Fe) 2 [Si 2 O 6 ], авгіт (Ca,Na)(Mg,Fe 2+,Al,Fe 3+ )[(Si,Al 2 O 6 ] і діопсид CaMg[Si 2 O 6 ]. У стрічкових силікатах кремнекисневі тетраедри утворюють відокремлені стрічки, або смужки завдяки поєднання ланцюжків. До них відносить група амфіболів, характерною особливістю яких є дуже складний та мінливий хімічний склад. Найпоширенішим мінералом цієї групи є рогова обманка (Ca,Na) 2 (Mg,Fe 2+ ) 4 (Al,Fe 3+ )(OH) 2 [(Al,Si) 4 O 11 ] 2. Рис Типи з єднання кремнекисневих тетраедрів а кремнекисневий тетраедр; б подвійний тетраедр; в кільце з трьох тетраедрів; г - кільце з чотирьох тетраедрів; д кільце з шести тетраедрів; е ланцюжок; є стрічка; ж лист; з каркас. Шаруваті, або листові, силікати об єднують групу мінералів, структура яких зумовлена поєднанням стрічок у один безперервний шар. Серед них найважливішими породоутворюючими мінералами є слюди. Найпоширенішими з них є мусковіт KAl 2 (OH) 2 [AlSi 3 O 10 ] калієва безбарвна слюда та її дрібнолускувата відміна серицит з характерним шовковистим полиском, і біотит K(Mg,Fe) 3 (OH,F) 2 [AlSi 3 O 10 ] чорна залізисто-магнезіальна слюда. До цієї групи відносяться також
6 серпентин Mg 6 (OH) 8 [Si 4 O 10 ], тальк Mg 3 (OH) 2 [Si 4 O 10 ] і хлорити, які належать до алюмосилікатів Mg і Fe складного мінливого складу. До шарових силікатів відносяться також глинисті мінерали, які містять гідроксильну групу і нерідко, кристалізаційну та адсорбовану воду. Вони утворюються, здебільшого, при вивітрюванні магматичних і метаморфічних гірських порід, до складу яких входять польові шпати та слюди. Найпоширенішими серед них є каолініт Al 4 (OH) 8 [Si 4 O 10 ], галуазит Al 4 (OH) 8 [Si 4 O 10 4H 2 O], монтморилоніт (Mg 3, Al 2 )[Si 4 O 10 ](OH) 2 nh 2 O, нонтроніт або феримонтморилоніт (Fe,Al 2 )[Si 4 O 10 ](OH) 2 nh 2 O і бейделіт Al 2 [Si 4 O 10 ](OH) 2 nh 2 O. Монтморилоніт, бейделіт, нонтроніт та їх відміни складають монтморилонітову групу мінерали якої характерні для кори вивітрювання, а також для ґрунтів. Гідрослюди це, свого роду, змінені слюди які є проміжними між слюдами та монтморилонітом. До них відносяться гідромусковіт і гідробіотит, котрі збагачені H 2 O, OH, H 3 O. Хімічний склад гідрослюд дуже мінливий і може бути виражений типовою формулою (K,H 3 O)Al 2 [(Al,Si) 4 O 10 ](OH) 2 nh 2 O. Найпоширенішим мінералом групи листових силікатів є глауконіт - водний алюмосилікат (K,Fe,Al)K(Fe,Al,Mg) 3 (OH) 2 [Al,Si 3 O 10 ] nh 2 O. Каркасні силікати об єднують найбільш важливу групу породоутворюючих мінералів, до яких відносяться польові шпати. В них кремнекисневі тетраедри з єднані між собою всіма чотирма вершинами, утворюючи, таким чином, своєрідний каркас. Польові шпати є одними з найпоширеніших мінералів у земній корі, вони складають близько 50% її маси. Серед мінералів цієї групи виділяються калієво-натрієві польові шпати і вапнистонатрієві, або плагіоклази. Серед перших найпоширенішим є ортоклаз K[AlSi 3 O 8 ]. Плагіоклази представлені безперервним рядом ізоморфних мінералів крайніми членами якого є альбіт Na[AlSi 3 O 8 ] і анортит Ca[Al 2 Si 2 O 8 ]. Всі проміжні мінерали цього ряду (олігоклаз, андезин, лабрадор і бітовніт) являють собою своєрідне поєднання в різних співвідношеннях альбітових та анортитових молекул. При цьому спостерігається зменшення вмісту в них оксиду кремнію, від альбіту, де він становить 68,8%, до анортиту 43,28%. У зв язку з цим плагіоклази поділяються на кислі, до яких відносяться альбіт і олігоклаз, середні андезин і лабрадор, і основні бітовніт і анортит. До каркасних силікатів належать також і мінерали групи фельдшпатоїдів, які складаються з тих самих хімічних елементів що і польові шпати, але містять менше оксиду кремнію. Найпоширенішим серед мінералів цієї групи є нефелін Na[AlSiO 4 ]. Геологічною практикою встановлено, що в природі, особливо в рудних родовищах, поряд утворюються декілька мінералів. Наприклад, кварц і золото на золоторудних родовищах, сфалерит, галеніт, халькопірит, руди срібла на поліметалічних родовищах, алмази і піроп (залізистоглиноземистий гранат) на родовищах алмазів. Це дозволило встановити природні закономірності групування мінералів, які дістали назву мінеральних парагенезисів (термін парагенезис означає сумісне утворення та знаходження). Мінеральний парагенезис це два або більше мінералів які утворились у близьких умовах і так само, як декілька хімічних елементів складають мінерал, група, або парагенезис мінералів утворюють гірські породи.
Читайте также:
