Средняя плотность пород земной коры составляет. Химический состав земной коры

Земная кора имеет огромное значение для нашей жизни, для исследований нашей планеты.

Это понятие тесно связано с другими, характеризующими процессы, происходящие внутри и на поверхности Земли.

Что такое земная кора и где она находится

Земля имеет целостную и непрерывную оболочку, в которую входят: земная кора, тропосфера и стратосфера, являющиеся нижней частью атмосферы, гидросфера, биосфера и антропосфера.

Они тесно взаимодействуют, проникая друг в друга и постоянно обмениваясь энергией и веществом. Земной корой принято называть внешнюю часть литосферы - твердой оболочки планеты. Большую часть ее внешней стороны покрывает гидросфера. На остальную, меньшую часть воздействует атмосфера.

Под корой Земли находится более плотная и тугоплавкая мантия. Их разделяет условная граница, названная именем хорватского ученого Мохоровича. Ее особенность - в резком увеличении скорости сейсмических колебаний.

Чтобы получить представление о земной коре, используются различные научные методы. Однако получение конкретных сведений возможно лишь способами бурения на большую глубину.

Одной из задач такого исследования было установление природы границы между верхней и нижней континентальной корой. Обсуждались возможности проникновения в верхнюю мантию с помощью самонагревающихся капсул из тугоплавких металлов.

Строение земной коры

Под континентами выделяются ее осадочный, гранитный и базальтовый слои, толщина которых в совокупности составляет до 80 км. Горные породы, называемые осадочными, образовались в результате осаждения веществ на суше и в воде. Располагаются преимущественно пластами.

• глины
• глинистые сланцы
• песчаники
• карбонатные породы
• породы вулканического происхождения
• каменный уголь и другие породы.

Осадочный слой помогает глубже узнать о природных условиях на земле, которые были на планете в незапамятные времена. У такого слоя может быть различная толщина. В некоторых местах его может не быть вообще, в других, преимущественно больших углублениях, может составлять 20-25 км.

Температура земной коры

Важным энергетическим источником для обитателей Земли является тепло ее коры. Температура увеличивается по мере углубления в нее. Самый близкий к поверхности 30-метровый слой, именуемый гелиометрическим, связан с теплом солнца и колеблется в зависимости от сезона.

В следующем, более тонком слое, который увеличивается в континентальном климате, температура постоянна и соответствует показателям конкретного места измерения. В геотермическом слое коры температура связана с внутренним теплом планеты и растет по мере углубления в нее. Она в разных местах разная и зависит от состава элементов, глубины и условий их расположения.

Считается, что температура в среднем повышается на три градуса по мере углубления на каждые 100 метров. В отличие от континентальной части температура под океанами растет быстрее. После литосферы располагается пластичная высокотемпературная оболочка, температура, которой составляет 1200 градусов. Называется она астеносферой. В ней есть места с расплавленной магмой.

Проникая в земную кору, астеносфера может изливать расплавленную магму, вызывая явления вулканизма.

Характеристика Земной коры

Земная кора обладает массой менее пол-процента всей массы планеты. Она является наружной оболочкой каменного слоя, в котором происходит движения вещества. Этот слой, который имеет плотность вдвое меньшую, чем у Земли. Его толщина меняется в пределах 50-200 км.

Уникальность земной коры в том, что она может быть континентального и океанического типов. У континентальной коры три слоя, верхний из которых сформирован за счет осадочных пород. Океаническая кора сравнительно молода и ее толщина меняется незначительно. Образуется она за счет веществ мантии из океанических хребтов.

земная кора характеристика фото

Толщина слоя коры под океанами составляет 5-10 км. Ее особенность в постоянных горизонтальных и колебательных движениях. Большую часть коры представляют базальты.

Внешняя часть земной коры является твердой оболочкой планеты. Ее cтроение отличается наличием подвижных областей и относительно стабильных платформ. Литосферные плиты двигаются относительно друг друга. Движение этих плит может вызывать землетрясения и другие катаклизмы. Закономерности таких движений исследуются тектонической наукой.

Функции земной коры

К основным функциям земной коры принято относить:

• ресурсную;
• геофизическую;
• геохимическую.

Первая из них обозначает наличие ресурсного потенциала Земли. Он представляет собой в первую очередь совокупность запасов полезных ископаемых, находящихся в литосфере. Кроме того, ресурсная функция включает в себя ряд факторов среды обитания, обеспечивающих жизнь человека и других биологических объектов. Одним из них является тенденция образования дефицита твердой поверхности.

так делать нельзя. спасем нашу Землю фото

Тепловые, шумовые и радиационные эффекты реализуют геофизическую функцию. Например, возникает проблема естественного радиационного фона, который на земной поверхности в основном безопасен. Однако в таких странах как Бразилия и Индия он в сотни раз может превышать допустимый. Считается, что его источником является радон и продукты его распада, а также некоторые виды человеческой деятельности.

Геохимическая функция связана с проблемами химического загрязнения, вредного для человека и других представителей животного мира. В литосферу попадают различные вещества, обладающие токсическими, канцерогенными и мутагенными свойствами.

Они безопасны, когда находятся в недрах планеты. Извлеченные из них цинк, свинец, ртуть, кадмий и другие тяжелые металлы могут представлять большую опасность. В переработанном твердом, жидком и газообразном виде они попадают в окружающую среду.

Из чего состоит Земная кора

В сравнении с мантией и ядром кора Земли является хрупким, жестким и тонким слоем. Она состоит из сравнительно легкого вещества, включающего в свой состав порядка 90 природных элементов. Они содержатся в разных местах литосферы и с разной степенью концентрации.

Основными являются: кислород кремний алюминий, железо, калий, кальций, натрий магний. 98 процентов земной коры состоит из них. В том числе около половины составляет кислород, свыше четверти - кремний. Благодаря их комбинациям образуются такие минералы как алмаз, гипс, кварц и пр. Нескольких минералов могут образовать горную породу.

• Сверхглубокая скважина на Кольском полуострове дала возможность познакомиться с образцами минералов с 12-километровой глубины, где были обнаружены породы, близкие к гранитам и глинистым сланцам.
• Самая большая толщина коры (около 70 км) выявлена под горными системами. Под равнинными участками она 30-40 км, а под океанами - лишь 5-10 км.
• Значительная часть коры образует древний низкоплотный верхний слой, состоящий преимущественно из гранитов и глинистых сланцев.
• Структура земной коры напоминает кору многих планет, в том числе на Луне и их спутниках.

Земля входит в состав Солнечной системы, находится на дистанции 149,8 миллионов километров от Солнца и является пятой по размеру среди других планет.

Немного о планете Земля

Скорость обращения небесного тела вокруг Солнца составляет 29,765 км/с. Полный оборот она делает за 365.24 солнечных суток.

Наша планета Земля обладает одним спутником. Это Луна. Она находится на орбите нашей планеты на дистанции 384 400 км. У Марса насчитывается два спутника, а у Юпитера - шестьдесят семь. Средний радиус нашей планеты составляет 6371 км, при этом она похожа на эллипсоид, немного сплюснутый у полюсов и вытянутый по экватору.

Масса и плотность Земли

Её масса составляет 5,98*1024 кг, а средняя плотность Земли равна 5.52 г/см 3 . В то же время этот показатель у земной коры находится в пределах 2.71 г/см 3 . Из этого следует, что плотность планеты Земля значительно увеличивается по направлению к глубине. Это связано с особенностью ее строения.

Впервые средняя плотность Земли была определена И. Ньютоном, который вычислил ее в размере 5-6 г/см 3 . Ее химический состав имеет сходство с планетами земной группы, такими как Венера и Марс и частично Меркурий. Состав Земли: железо - 32%, кислород - 30%, кремний - 15%, магний - 14%, сера - 3%, никель - 2%, кальций - 1,6% и алюминий - 1,5%. На остававшиеся элементы в сумме приходится около 1,2%.

Наша планета - голубая путешественница в космосе

Нахождение Земли недалеко от Солнца влияет на наличие тех или других химических веществ как в жидком, так и газообразном состоянии. Благодаря этому разнообразен, образовалась атмосфера, гидросфера и литосфера. Атмосфера в основном состоит из смеси газов: азота и кислорода 78% и 21% соответственно. А также углекислого газа - 1,6% и ничтожного количества инертных газов, таких как гелий, неон, ксенон и других.

Гидросфера нашей планеты состоит из воды и занимает 3/4 её поверхности. Земля — единственная известная на сегодня планета Солнечной системы, которая обладает гидросферой. Вода сыграла решающую роль в процессе возникновения жизни на Земле. Благодаря ее циркуляции и высокой теплоёмкости гидросфера уравновешивает климатические условия на разных широтах и формирует климат на планете. Её представляют океаны, реки и Твёрдая часть нашей планеты состоит из осадочных образований, гранитного и базальтового слоя.

и её структура

Земля, как и остальные планеты земной группы, обладает слоистым внутренним строением. В её центре находится ядро.

Далее следует мантия, которая занимает значительную часть объёма планеты, а затем Между собой образовавшиеся слои сильно отличаются по своему составу. За срок существования нашей планеты, свыше 4,5 миллиардов лет, более тяжёлые породы и элементы под воздействием силы тяжести проникали все дальше и дальше в центр Земли. Другие элементы, более лёгкие, оставались ближе к её поверхности.

Сложность и недосягаемость изучения недр

Человеку очень сложно проникнуть вглубь Земли. Одна из самых глубоких скважин пробурена на Кольском полуострове. Её глубина достигает 12 километров.

При этом расстояние от поверхности до центра планеты составляет более 6300 километров.

Используем косвенные инструменты исследования

Из-за этого недра нашей планеты, размещённые на значительной глубине, анализируют по результатам сейсмической разведки. Каждый час в разных точках Земли отмечается примерно десять колебаний ее поверхности. На основании полученных данных тысячи сейсмических станций проводят исследование распространения волн при землетрясении. Эти колебания распространяются точно так же, как круги на воде от брошенного объекта. Когда волна проникает в более уплотнённый слой, её скорость резко изменяется. Используя полученные данные, учёные смогли определить границы внутренних оболочек нашей планеты. В строении Земли различают три основных слоя.

Земная кора и её свойства

Верхняя - это земная кора. Её толщина может варьироваться от 5 километров в океанических областях до 70 километров в горных районах материковой части. По отношению ко всей планете эта оболочка не толще яичной скорлупы, а под ней бушует подземный огонь. Отголоски глубинных процессов, происходящих в недрах Земли, которые мы наблюдаем в виде извержений вулканов и землетрясений, вызывают большие разрушения.

Земная кора - это единственный слой, который доступен людям для жизни и полноценных исследований. Структура земной коры под континентами и океанами различна.

Континентальная земная кора занимает гораздо меньшую но имеет более сложное строение. Она содержит под осадочным слоем внешний гранитный и нижний базальтовый слои. В континентальной коре встречаются более давние породы, возраст которых почти два миллиарда лет.

Более тонкая, всего около пяти километров, и содержит два слоя: нижний базальтовый и верхний осадочный. Возраст океанических пород не превышает 150 миллионов лет. В этом слое может существовать жизнь.

Мантия и что мы о ней знаем

Под корой залегает слой, именуемый мантией. Граница между ею и корой довольно резко обозначена. Она названа слоем Мохоровича, и её можно обнаружить на глубине около сорока километров. Граница Мохоровича состоит в основном из базальтов и силикатов, находящихся в твёрдом состоянии. Исключение составляют некие «лавовые карманы», которые находятся в жидком виде.

Толщина мантии - почти три тысячи километров. Такие же слои обнаружены и на других планетах. На этой границе происходит чёткое возрастание сейсмических скоростей от 7,81 до 8,22 км/с. Мантию Земли подразделяют на верхнюю и нижнюю составляющие. Границей между данными геосферами служит слой Галицина, который находится на глубине около 670 км.

Как формировалось знание о мантии?

В начале 20-го века интенсивно обсуждалась граница Мохоровича. Некоторые исследователи считали, что именно там происходит метаморфический процесс, при котором формируются породы с высокой плотностью. Другие ученые объясняли резкое увеличение скорости движения сейсмических волн сменой содержания состава пород от относительно лёгких к более тяжёлым типам.

Сейчас эта точка зрения считается основной в понимании и методах исследования процессов, происходящих внутри планеты. Сама непосредственно недоступна для прямых исследований по причине глубокого залегания, и она не выходит на поверхность.

Поэтому основная информация получена геохимическими и геофизическими способами. В целом реконструкция через имеющиеся источники - весьма сложная задача.
Мантия, принимающая излучение из центра, разогрета от 800 градусов наверху до 2000 градусов около ядра. Предполагается, собственно, что вещество мантии пребывает в беспрерывном движении.

Чему равна плотность Земли в области мантии?

Плотность Земли в пределах мантии достигает порядка 5,9 г/см 3 . Давление растёт с увеличением глубины и может достигать 1,6 млн. атмосфер. В вопросе определения температуры в мантии мнения учёных не однозначны и достаточно противоречивы, 1500-10000 градусов Цельсия. Таковы сложившиеся мнения в учёных кругах.

Чем ближе к центру, тем горячее

В центре Земли размещено ядро. Его верхняя часть находится на глубине 2900 километров от поверхности (внешнее ядро) и составляет около 30% от общей массы планеты. Этот слой обладает свойствами тягучей жидкости и электропроводностью. Содержит в себе около 12% серы и 88% железа. На границе ядра и мантии резко возрастает плотность Земли и достигает порядка 9,5 г/см 3 . На глубине приблизительно 5100 км распознают его внутреннюю часть, радиус которой составляет около 1260 километров, а масса - 1,7% от общей массы планеты.

Давление в центре столь огромно, что железо и никель, которые должны быть жидкими, пребывают в твёрдом состоянии. По мнению научных исследований, центр Земли является местом со сверхэкстремальными условиями с давлением в 3,5 миллиона атмосфер и температурой выше 6000 градусов.

В связи с этим железоникелевый сплав не переходит в жидкое состояние, несмотря на то что температура плавления подобных металлов равна 1450-1500 градусов Цельсия. Из-за гигантского давления в центре масса и плотность Земли достаточно огромны. Один кубический дециметр вещества весит примерно двенадцать с половиной килограмм. Это уникальное и единственное место, где плотность планеты значительно выше, чем в любом другом её слое.

Раскрыть все механизмы взаимодействия внутри Земли было бы не только интересно, но и полезно. Нам бы стало понятно образование различных полезных ископаемых и их местонахождение. Возможно, полноценно стал бы понятен механизм возникновения землетрясений, что дало бы возможность точно их предупреждать. На сегодня они непредсказуемы и приносят много жертв и разрушений. Точные знания о конвекции потоков и их взаимодействии с литосферой, возможно, прольют свет на эту проблему. Поэтому будущим учёным предстоит долгая, интересная и полезная работа для всего человечества.

Химический состав Земли (рис. 1) схож с составом других планет земной группы, например Венеры или Марса.

В целом преобладают такие элементы, как железо, кислород, кремний, магний, никель. Содержание легких элементов невелико. Средняя плотность вещества Земли 5,5 г/см3.

О внутреннем строении Земли достоверных данных весьма мало. Земля состоит из земной коры, мантии и ядра.

Рис. 1. Химический состав Земли

Рис. 2. Внутреннее строение Земли

Ядро расположено в центре Земли, его радиус составляет около 3,5 тыс. км. Температура ядра достигает 10 000 К, т. е. она выше, чем температура внешних слоев Солнца, а его плотность составляет 13 г/см3 (сравните: вода - 1 г/см3). Ядро предположительно состоит из сплавов железа и никеля.

Внешнее ядро Земли имеет большую мощность, чем внутреннее (радиус 2200 км) и находится в жидком (расплавленном) состоянии. Внутреннее ядро подвержено колоссальному давлению. Вещества, слагающие его, находятся в твердом состоянии.

Мантия - геосфера Земли, которая окружает ядро и составляет 83 % от объема нашей планеты. Нижняя ее граница располагается на глубине 2900 км. Мантия разделяется на менее плотную и пластичную верхнюю часть (800-900 км), из которой образуется магма (в переводе с греческого означает «густая мазь»; это расплавленное вещество земных недр - смесь химических соединений и элементов, в том числе газов, в особом полужидком состоянии); и кристаллическую нижнюю, тол- шиной около 2000 км.

Земная кора - внешняя оболочка литосферы. Ее плотность примерно в два раза меньше, чем средняя плотность Земли, - 3 г/см3.

От мантии земную кору отделяет граница Мохоровичича (ее часто называют границей Мохо), характеризующаяся резким нарастанием скоростей сейсмических волн. Она была установлена в 1909 г. хорватским ученым Андреем Мохоровичичем (1857- 1936).

Поскольку процессы, происходящие в самой верхней части мантии, влияют на движения вещества в земной коре, их объединяют под общим названием литосфера (каменная оболочка). Мощность литосферы колеблется от 50 до 200 км.

Ниже литосферы располагается астеносфера - менее твердая и менее вязкая, но более пластичная оболочка с температурой 1200 °С. Она может пересекать границу Мохо, внедряясь в земную кору. Астеносфера - это источник вулканизма. В ней находятся очаги расплавленной магмы, которая внедряется в земную кору или изливается на земную поверхность.

2. Литосфера и её строение

Литосфера - это твердая оболочка Земли, состоящая из земной коры и верхней части мантии (от греч. lithos - камень и sphaira - шар). Известно, что существует тесная связь между литосферой и мантией Земли. Мощность литосферы составляет в среднем от 70 до 250 км.

Литосфера – это внешняя оболочка «твёрдой» Земли.

Земная кора и верхняя (твердая) часть мантии образуют литосферу. Она представляет собой «шар» из твёрдого вещества радиусом около 6400км. Земная кора - внешняя оболочка литосферы. Состоит из осадочного, гранитного и базальтового слоев. Отличают океаническую и материковую земную кору. В составе первой отсутствует гранитный слой. Максимальная толщина земной коры около 70 км - под горными системами, 30- 40 км - под равнинами, наиболее тонкая земная кора - под океанами, всего 5- 10 км.
Остальную часть мы называем внутренней литосферой, которая включает также и центральную часть, называемую ядром. О внутренних слоях литосферы нам почти ничего не известно, хотя на их долю приходится почти 99,5% всей массы Земли. Их можно изучать только с помощью сейсмических исследований.

Мощность литосферы изменяется от 50 км (под океанами) до 100 км (под материками) . Cтроение литосферы представлено её крупными блоками – литосферными плитами, отделёнными друг от друга глубинными тектоническими разломами. Литосферные плиты движутся в горизонтальном направлении со средней скоростью 5-10 см в год.

Форма земли.

По форме Земля близка к эллипсоиду, сплюснутому у полюсов и растянутому в экваториальной зоне. Средний радиус Земли 6371,032 км, полярный 6356,777 км, экваториальный 6378,160 км. Масса Земли 5,976·1024 кг, средняя плотность 5518 кг/м3.

Плотность земли.

Плотность Земли была впервые определена И. Ньютоном в 1736 г. в пределах 5—6 г/см 3 . Последующие, более точные, определения дали среднюю плотность 5,527 г/см 3 . Эта величина значительно превышает плотность верхних горизонтов земной коры, которая на основании многочисленных измерений плотностей выходящих на поверхность горных пород может быть определена более или менее точно. В табл. приводятся средние плотности полнокристаллических изверженных пород (по Р. А. Дэли).

Исходя из средних плотностей горных пород (Считается, что до глубины 16 км земная кора состоит из 95% изверженных, 4% метаморфических и 1% осадочных пород.), слагающих земную кору, плотность «гранитного слоя» земной коры принимают равной 2,7 г/см 3 , «базальтового слоя» — 2,9 г/см 3 , «базальтового слоя» океанической коры — от 3,0 до 3,1 г/см 3 , а верхней части подкоркового слоя (мантии) — 3,3 г/см 3 (с учетом давления на глубине 30—40 км).

Сила тяжести земли.

Сила тяжести обусловлена общей массой Земли. Поэтому все колебания в распределении масс в вертикальных разрезах должны отражаться на величине силы тяжести. В связи с этим естественно было бы ожидать более или менее значительного влияния рельефа на распределение силы тяжести на земной поверхности. В частности, на материках, сложенных отчетливо выраженными в рельефе нагромождениями горных пород, сила тяжести должна бы быть больше, чем на океанах, поверхность которых лежит на более низком гипсометрическом уровне и верхние горизонты сложены 4-километровым слоем воды, значительно менее плотным, чем горные породы материков. Однако из сопоставления полей силы тяжести океанов и материков следует, что по абсолютной величине аномалии силы тяжести на тех и других почти равны. Некоторые более значительные, но вполне понятные и закономерные изменения силы тяжести на Земле вызваны полярным сжатием и центробежной силой, развивающейся при вращении планеты и направленной на экваторе в сторону, противоположную силе тяжести (величина силы тяжести увеличивается от экватора к полюсам на 0,5%). Сила тяжести меняется также под воздействием притяжения Луны и Солнца («лунно-солнечные вариации силы тяжести»), которое влияет не только на любое тело на земной поверхности, но и на всю Землю, вызывая приливные деформации, изменяющие форму не только жидкой, но и твердой земной оболочки.

Оболочки земного шара.

Земна́я кора́ — внешняя твёрдая оболочка Земли (геосфера). Ниже коры находится мантия , которая отличается составом и физическими свойствами — она более плотная, содержит в основном тугоплавкие элементы. Разделяет кору и мантию граница Мохоровичича , или сокращённо Мохо, на которой происходит резкое увеличение скоростей сейсмических волн. С внешней стороны большая часть коры покрыта гидросферой , а меньшая находится под воздействием атмосферы .

Магнитные свойства земли.

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ. Большинство планет Солнечной системы в той или иной степени обладают магнитными полями. По убыванию дипольного магнитного момента на первом месте Юпитер и Сатурн, а за ними следуют Земля, Меркурий и Марс, причем по отношению к магнитному моменту Земли значение их моментов составляет 20 000, 500, 1, 3/5000 3/10000. Дипольный магнитный момент Земли на 1970 составлял 7,98·10 25 Гс/см 3 (или 8,3·10 22 А.м 2), уменьшаясь за десятилетие на 0,04·10 25 Гс/см 3 . Средняя напряженность поля на поверхности составляет около 0,5 Э (5·10 -5 Тл). По форме основное магнитное поле Земли до расстояний менее трех радиусов близко к полю эквивалентного магнитного диполя. Его центр смещен относительно центра Земли в направлении на 18° с.ш. и 147,8° в. д. Ось этого диполя наклонена к оси вращения Земли на 11,5°. На такой же угол геомагнитные полюса отстоят от соответствующих географических полюсов. При этом южный геомагнитный полюс находится в северном полушарии. В настоящее время он расположен недалеко от северного географического полюса Земли в Северной Гренландии. Его координаты j = 78,6 + 0,04° Т с.ш., l = 70,1 + 0,07° T з.д., где Т — число десятилетий от 1970. У cеверного магнитного полюса j = 75° ю.ш., l = 120,4° в.д. (в Антарктиде). Реальные магнитные силовые линии магнитного поля Земли в среднем близки к силовым линиям этого диполя, отличаясь от них местными нерегулярностями, связанными с наличием намагниченных пород в коре. В результате вековых вариаций геомагнитный полюс прецессирует относительно географического полюса с периодом около 1200 лет. На больших расстояниях магнитное поле Земли несимметрично. Под действием исходящего от Солнца потока плазмы (солнечного ветра) магнитное поле Земли искажается и приобретает "шлейф" в направлении от Солнца, который простирается на сотни тысяч километров, выходя за орбиту Луны.

Тепловые свойства земли.

Главные тепловые источники в мантии Земли - это запас тепла, оставшегося еще со времен раннего расплавленного состояния, и тепло, образующееся при распаде радиоактивных элементов. Усредненное содержание радиоактивных элементов в земной коре не превышает тысячных долей грамма на килограмм породы, однако генерируемый ими тепловой поток оказывает существенное влияние на тепловые свойства Земли в целом. Если бы внутри Земли радиоактивные вещества содержались бы в тех же пропорциях, что и в поверхностных горных породах, то температура в недрах стала бы не падать, а расти, и мантия была бы полностью жидкой, что противоречит современным представлением

важная величина теплового потока из ядра в мантию во многом определяется конвективными процессами, происходящими в ядре, интенсивность которых в свою очередь влияет на величину генерируемого в нем магнитного поля.

Давление земного шара.

В целом на земном шаре формируется несколько поясов атмосферного давления. На экваторе, интенсивно нагреваемом Солнцем, оно постоянно понижено. Здесь нагретый от земной поверхности воздух поднимается и растекается к тропическим широтам. На высоте он охлаждается, опускается вниз, создавая в тропиках области повышенного давления. Над полюсами температура постоянно низкая, здесь холодный воздух опускается и уплотняется, в эти районы поступает воздух из умеренных широт. Над полюсами устанавливается высокое давление, а над умеренными широтами — низкое.

Пояса высокого и низкого давления не распределяются над поверхностью Земли ровными полосами, потому что материки и океаны, по разному поглощающие и отдающие солнечное тепло, располагаются на земном шаре неравномерно.

Введение

Три наружные оболочки Земли, различающиеся фазовым состоянием, – твердая земная кора, жидкая гидросфера и газовая атмосфера – тесно связаны между собой, а вещество каждой из них проникает в пределы других. Подземные воды пронизывают верхнюю часть земной коры, значительный объем газов находится не в атмосфере, а растворен в гидросфере и заполняет пустоты в почве и горных породах. В свою очередь, вода и мелкие твердые минеральные частицы насыщают нижние слои атмосферы.

Наружные оболочки связаны не только пространственно, но и генетически. Происхождение оболочек, формирование их состава и его дальнейшая эволюция взаимосвязаны. В настоящее время эта связь в значительной мере обусловлена тем, что наружная часть планеты охвачена геохимической деятельностью живого вещества.

Массы оболочек сильно различаются. Масса земной коры оценивается в 28,46×10 18 т, Мирового океана – 1,47×10 18 т, атмосферы – 0,005×10 18 т. Следовательно, в земной коре находится основной резерв химических элементов, которые вовлекаются в миграционные процессы под воздействием живого вещества. Концентрации и распределение химических элементов в земной коре оказывают сильное влияние на состав живых организмов суши и всего живого вещества Земли.

Рассматривая проблему состава живого вещества, В.И. Вернадский отмечал: «…химический состав организмов теснейшим образом связан с химическим составом земной коры; организмы приноравливаются к нему».

Химики и петрографы начиная со второй половины XIX в. изучали химический состав горных пород методами весового и объемного химического анализа. Суммируя результаты многочисленных анализов горных пород, Ф. Кларк показал, что в земной коре преобладают восемь химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, калий и натрий. Этот основной вывод неоднократно подтвержден результатами последующих исследований. Методами химического анализа, которыми пользовались в XIX в., определение низких концентраций элементов было невозможно. Требовались принципиально иные подходы.

Мощный импульс изучению химических элементов с очень низкой концентрацией в веществе земной коры дало применение более чувствительного метода – спектроскопического анализа. Новые факты позволили В.И. Вернадскому сформулировать принцип «всюдности» всех химических элементов. В докладе на XII съезде российских естествоиспытателей и врачей в декабре 1909 г. он заявил: «В каждой капле и пылинке вещества на земной поверхности, по мере увеличения тонкости наших исследований, мы открываем все новые и новые элементы… В песчинке или в капле, как в микрокосмосе, отражается общий состав космоса».

Идея «всюдности» химических элементов долгое время вызывала настороженность даже со стороны крупных ученых. Это было связано с тем, что элементы, содержащиеся в количестве ниже уровня чувствительности метода, при анализе не обнаруживались. Создавалась иллюзия их полного отсутствия, что отразилось на терминологии. В геохимии возникли термины редкие элементы (dieselteneElementen– нем.; rareelements– англ.), частота (dieHaufigkeit– нем.) обнаружения. В действительности имеет место не реальная редкость или малая частота встречаемости элемента при анализах, а его низкая концентрация в изучаемых пробах, которая не может быть определена недостаточно чувствительными методами анализа.

Низкая чувствительность метода часто не позволяла определять количество элемента, а лишь констатировать присутствие его «следов». С тех пор в геохимической литературе широко используется термин? применявшийся В.М. Гольдшмидтом и его коллегами в 1930-х гг.: элементы-следы (dieSpurelemente– нем.; traceelements– англ.; deselementstraces– фр.).

В итоге усилий ученых разных стран в 20-х гг. XX в. сложилось общее представление о составе земной коры. Средние значения относительного содержания химических элементов в земной коре и других глобальных и космических системах известный геохимик А.Е. Ферсман предложил называть кларками в честь ученого, который наметил путь к количественной оценке распространения химических элементов.

Кларк – весьма важная величина в геохимии. Анализ значений кларков позволяет понять многие закономерности распределения химических элементов на Земле, в Солнечной системе и доступной нашим наблюдениям части Вселенной. Кларки химических элементов земной коры различаются более чем на десять математических порядков. Столь существенное количественное различие должно отразиться на качественно неодинаковой роли двух групп элементов в земной коре. Наиболее ярко это проявляется в том, что элементы первой группы, содержащиеся в относительно большом количестве, образуют самостоятельные химические соединения, а элементы второй группы с малыми кларками преимущественно распылены, рассеяны среди химических соединений других элементов. Элементы первой группы называют главными, элементы второй – рассеянными. Их синонимами в английском языке являются minorelements, rareelements, наиболее употребляемый синоним traceelements. Условной границей между группами главных и рассеянных элементов в земной коре может служить величина 0,1%, хотя кларки большей части рассеянных элементов значительно меньше и измеряются тысячными и меньшими долями процента. Понятие о состоянии рассеяния химических элементов, так же как и о их «всюдности», было введено в науку В.И. Вернадским.

Полный химический состав верхнего, так называемого гранитного, слоя континентального блока земной коры приведен в табл. 1.1.

Таблица 1.1 Кларки химических элементов гранитного слоя коры континентов

Для образования любого химического соединения требуется концентрация исходных компонентов не меньше минимальной, ниже которой реакция невозможна. Поэтому в земной коре преобладают химические соединения главных элементов с высокими кларками. Несмотря на то, что общее количество природных химических соединений – минералов – составляет 2-3 тыс. видов, число минералов, образующих распространенные горные породы, невелико. Более 80% массы земной коры представлено силикатами алюминия, железа, кальция, магния, калия и натрия; около 12% составляет оксид кремния. Все эти минералы имеют кристаллическое строение, которое и определяет общие особенности кристаллохимии земной коры.

В.М. Гольдшмидт показал, что силикатный состав и кристаллическое строение земной коры весьма важны для распределения не главных, рассеянных элементов. Согласно концепции Гольдшмидта в кристаллохимических структурах ионы ведут себя как жесткие сферы (твердые шары). Поэтому радиус каждого иона рассматривается как постоянная величина.

Главная особенность ионов в кристаллохимических структурах заключается в том, что радиусы отрицательно заряженных ионов (анионов) значительно больше радиусов положительно заряженных ионов (катионов). Представим анионы в виде крупных шаров, а катионы – в виде мелких. Тогда моделью кристаллического вещества с ионным типом связи будет пространство, заполненное плотно прилегающими большими шарами – анионами, между которыми должны размещаться мелкие шарики – катионы. Согласно представлениям Гольдшмидта этот каркас играет роль своеобразного геохимического фильтра, способствующего дифференциации химических элементов по величине их ионов. В конкретную кристаллохимическую структуру могут войти не любые элементы, обладающие необходимой валентностью, а лишь те, ионы которых имеют соответствующий размер радиусов.

Образование распространенных минералов сопровождается своего рода сортировкой рассеянных элементов. Для пояснения этого процесса обратимся к распространенному минералу – полевому шпату. Его кристаллохимическая структура образована группировками, состоящими из трех катионов кремния и одного алюминия, каждый из которых связан с четырьмя анионами кислорода. Группировка в целом представляет собой комплексный анион, где восемь ионов кислорода, три кремния и один алюминия. Это создает один отрицательный заряд, который уравновешивается одновалентным катионом калия. В итоге существует трехкамерная структура, состав которой отвечает формуле K.

Величина радиуса иона калия составляет 0,133 нм. Его место в структуре может занять только катион с близкой величиной радиуса. Таковым является двухвалентный катион бария, радиус которого равен 0,134 нм. Барий менее распространен, чем калий. Обычно он присутствует в виде незначительной примеси в полевых шпатах. Только в особых случаях создается его значительная концентрация и образуется редкий минерал цельзиан (бариевый полевой шпат).

Аналогичным образом в распространенных минералах и горных породах избирательно задерживаются химические элементы, концентрация которых не так велика для образования самостоятельных минералов. Взаимное замещение ионов в кристаллической структуре благодаря близости их радиусов называется изоморфизмом. Это явление было обнаружено еще в начале XIX в., но его значение для глобальной дифференциации рассеянных химических элементов установлено только спустя столетие.

В результате изоморфизма рассеянные элементы закономерно концентрируются в определенных минералах. Полевые шпаты служат носителями бария, стронция, свинца; оливины – никеля и кобальта; цирконы – гафния и т.д. Такие элементы, как рубидий, рений, гафний, не образуют самостоятельных соединений в литосфере и полностью рассеяны в кристаллохимических структурах минералов-хозяев.

Изоморфные замещения – не единственная форма нахождения рассеянных элементов. Феномен рассеяния в земной коре проявляется в разных формах на разном уровне дисперсности.

Наиболее грубодисперсной формой рассеяния являются хорошо окристаллизованные, очень мелкие (обычно менее 0,01 – 0,02 мм в поперечнике) акцессорные минералы. Они образуют механические включения в породообразующих минералах (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Включение акцессорных апатита (1) и циркона (2) в зерне полевого шпата. Прозрачный шлиф, увеличение 160 ´

Содержание акцессориев весьма незначительное, но концентрация рассеянных элементов в них настолько высокая, что эти элементы образуют самостоятельные соединения. В кристаллических породах в качестве акцессориев присутствуют циркон Zr, рутил, реже анатаз и брукит, имеющие однотипный состав ТiO 2 , апатит Са 5 [РО 4 ] 3 F, магнетит Fe 2+ Fe 2 3+ O 4 , ильменит FeTiO 3 , монацит СеРО 4 , ксенотим YPO 4 , касситерит SnO 2 , хромит ЕеСг 2 О 4 и другие сорных апатита (7) и минералы группы шпинели, минералы группы колумбита (Fe, Mg) (Nb, Та) 2 О 6 и др. Содержание акцессориев в некоторых породообразующих минералах, особенно в слюдах, довольно заметно.

В некоторых минералах, преимущественно среди сульфидов и им подобных соединений, широко распространены так называемые структуры распада твердого раствора – мелкие выделения минерала-примеси в веществе минерала-хозяина. Их примером могут служить «эмульсионная вкрапленность» халькопирита CuFeS 2 и станина Cu 2 FeSnS 4 в сфалерите ZnS, тонкие пластинчатые выделения ильменита FeTiO 3 в магнетите Fe 2+ Fe 2 3+ O 4 , мелкие выделения минералов серебра в галените PbS. В результате в сульфиде свинца присутствует ощутимая примесь серебра, в сульфиде меди – примесь олова, в магнетите – примесь титана.

Применение поляризационного микроскопа и прозрачных шлифов позволило обнаружить в минералах не только твердые включения, но и микро-пустоты, заполненные остатками растворов, из которых осуществлялась кристаллизация (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Микрополости в кварце: 1 – кристалл сильвина; 2 – кристалл галита; 3 – пузырек газа; 4 – жидкая фаза. Прозрачный шлиф, увеличение 900 ´

Это явление, впервые специально рассмотренное в 1858 г. основателем оптической петрографии Г. Сорби, к настоящему времени всесторонне изучено. Микрополости в минералах обычно содержат жидкую и газовую фазы, иногда к ним добавляются мелкие кристаллы. Проблема жидких включений была основательно проанализирована У. Ньюхаузом, который отметил присутствие в жидкостях тяжелых металлов (до нескольких процентов).

Некоторая часть примеси рассеянных элементов, легко экстрагируемая из тонко растертых мономинеральных проб, связана именно с жидкими включениями. Н.П. Ермаков (1972), изучив микровключения из флюорита, обнаружил в них n×10 -1 % цинка, марганца, n×10 -2% бария, хрома, меди, никеля и свинца, n× 10 -3% титана. В дальнейшем в жидких включениях были обнаружены и другие рассеянные элементы.

Вместе с тем тщательный анализ мономинеральных проб и использование электронного зондирования показали, что все без исключения породообразующие минералы содержат рассеянные элементы в настолько высокодисперсной форме, что они не могут быть обнаружены не только при помощи оптической, но и электронной микроскопии. В этом случае имеет место рассеяние элементов на уровне ионов и молекул. Формы такого рассеяния не ограничиваются рассмотренными ранее явлениями изоморфизма. Известны многочисленные случаи присутствия химических элементов в минералах, не имеющих никакой связи с изоморфизмом.

Результаты многих тысяч анализов, выполненных в разных странах за последние 50 лет, позволяют утверждать, что все породообразующие минералы являются носителями рассеянных элементов. Именно в них сосредоточена основная масса рассеянных элементов, содержащаяся в земной коре. Зная содержание минералов-носителей и концентрацию в них рассеянных элементов, можно рассчитать баланс внутри конкретной горной породы.

При изучении гранитов Тянь-Шаня было обнаружено, что в кварце, несмотря на ничтожную концентрацию свинца, заключено более 5% всей массы этого металла, содержащегося в породе (табл. 1.2).

Таблица 1.2. Распределение свинца в минералах, слагающих граниты хребта Джумгол

Невозможно предположить изоморфное вхождение свинца, цинка или другого металла в структуру кварца, образованную комбинацией ионов кремния и кислорода. Между тем кварц служит носителем многих рассеянных элементов. Разработан особый метод оценки потенциальной рудоносности горных пород и жил по содержанию в кварце лития, рубидия, бора.

При экспериментальном изучении прочности закрепления рассеянных металлов в породообразующих минералах было обнаружено, что при обработке тонко измельченной минеральной массы последовательными порциями слабых кислотно-щелочных растворителей значительная часть металлов легко извлекается при первой же экстракции, причем это извлечение не сопровождается разрушением кристаллохимической структуры минералов. При дальнейших обработках количество экстрагируемых металлов резко сокращается или прекращается совсем. Это позволило высказать предположение, что часть рассеянных элементов не входит в собственно кристаллохимическую структуру, а приурочена к дефектам реальных кристаллов. Дефекты представляют собой разного рода трещины, причем настолько мелкие, что не обнаруживаются оптическим микроскопом. Легкость извлечения рассеянных металлов объясняется тем, что они связаны с поверхностью минерала-носителя сорбционными силами. В породообразующих силикатах эта форма нахождения рассеянных металлов составляет 10 – 20% от всей массы рассеянных металлов. В частности, непрочно связанная форма свинца в гранитах Тянь-Шаня составляет от 12 до 18% всей массы рассеянного элемента.

Можно выделить следующие формы нахождения рассеянных элементов в кристаллическом веществе земной коры:

I. Микроминералогические формы:

1. Элементы, входящие в акцессорные минералы.

2. Элементы, содержащиеся в микроскопических выделениях в результате распада твердых растворов.

3. Элементы, находящиеся во включениях остаточных растворов. П. Неминералогические формы:

4. Элементы, сорбированные поверхностью дефектов реальных кристаллов.

5. Элементы, входящие в структуру минерала-носителя по законам изоморфизма.

6. Элементы, находящиеся в структуре минерала-носителя в неупорядоченном состоянии.

Сочетание рассмотренных форм нахождения рассеянных элементов сильно меняется в зависимости от многих факторов. Соответственно меняется и суммарное содержание рассеянного элемента в разных участках земной коры.

3. Особенности распределения химических элементов в земной коре

Варьирование содержания элемента в разных пробах обусловлено многими независимыми причинами. Когда распределение величины определяется достаточно большим числом примерно равнодействующих и взаимно независимых причин, то оно подчиняется так называемому нормальному закону Гаусса. Его графическим выражением является кривая с симметричными ветвями по обе стороны максимальной ординаты. При нормальном распределении наиболее вероятным значением служит среднее арифметическое х, которое совпадает с наиболее часто встречающимися значениями – модой. Растянутость симметричной кривой по оси абсцисс, т.е. разброс значений в большую и меньшую стороны от моды, характеризуется средним квадратичным отклонением а.

Нормальное распределение может также проявляться не для самой величины, а для ее логарифма (логарифмически нормальный, или логнормальный, закон распределения). В этом случае мода совпадает со средним геометрическим, а разброс значений характеризуется логарифмом а.

В 1940 г. Н.К. Разумовский эмпирическим путем обнаружил, что содержание металлов в рудах соответствует логарифмически нормальному распределению. Л.X. Арене в 1954 г., обработав обширный материал, независимо от Разумовского установил, что распределение рассеянных элементов в магматических породах аппроксимируется логарифмически нормальным законом. Многочисленные факты указывают на то, что распределение элементов с высокими кларками обычно подчиняется нормальному закону, а рассеянных – логнормальному. Это еще раз подтверждает принципиальное различие главных и рассеянных элементов.

С высокой вариабельностью низкокларковых элементов связана их способность к высокой степени концентрации. Максимальная степень концентрации главных элементов составляет 10 – 20 раз по отношению к их кларку, а для рассеянных элементов – в сотни и тысячи раз больше. Например, в рудах промышленных месторождений степень концентрации свинца, никеля, олова, хрома составляет 1000×п.

Говоря об огромных массах тяжелых металлов, сосредоточенных в месторождениях руд, следует помнить, что эти массы – ничтожная часть общего количества металлов, рассеянных в земной коре. В частности, общемировые запасы руд цинка, меди, свинца, никеля составляют всего лишь тысячные доли процента от масс этих металлов, рассеянных в верхнем километровом слое земной коры континентов.

Залежи руд связаны с окружающими горными породами постепенными переходами. Рудные тела находятся как бы в чехле постепенно убывающей концентрации металлов. Такие образования получили название ореолов рассеяния Первичные, сингенетичные рудные ореолы возникают одновременно с рудными телами и в результате одних и тех же процессов. Они имеют разнообразную конфигурацию, зависящую от геологического строения, состава вмещающих пород и условий рудообразования.

В рудах наряду с одним или несколькими главными рудообразующими элементами присутствуют сопутствующие элементы, концентрация которых также повышена, но не настолько, как главных. Элементы-спутники часто образуют изоморфные замещения главных. Например, в цинковых рудах постоянно содержится кадмий, в меньшем количестве – индий, галлий, германий. В медно-никелевых рудах присутствует значительная примесь кобальта, в меньшем количестве – селена и теллура. Все сопутствующие элементы также рассеиваются вокруг рудных тел. Обладая неодинаковой геохимической подвижностью, они образуют переходные зоны разной протяженности. В итоге состав и строение ореолов рассеяния очень сложны.

Среднее содержание химического элемента представляет собой норму – геохимический фон – для данного типа пород в определенном районе. На геохимическом фоне выделяются геохимические аномалии – участки горных пород с повышенной концентрацией рассеянных элементов. Если они связаны с залежами руд, то это ореолы рассеяния. Если же концентрации металлов не достигают кондиции руды, то такие аномалии называют ложными. Используя статистическую обработку массовых аналитических данных, можно обнаружить закономерные изменения величины геохимического фона в пространстве и выявить геохимические провинции. В пределах провинций горные породы одного типа обладают выдержанными статистическими параметрами, в первую очередь значениями среднего содержания одного или нескольких рассеянных элементов. Среднее содержание некоторых элементов в однотипных породах разных геохимических провинций может сильно различаться (в несколько раз). При этом химический состав этих пород, определяемый содержанием главных элементов, остается одинаковым или имеет очень слабые отличия. Например, в гранитах разных провинций, имеющих практически одинаковое количество кремния, алюминия, железа, калия, содержание олова, свинца, молибдена, урана может различаться в 2–3 раза.

Изложенный материал свидетельствует о неравномерности распределения рассеянных элементов в земной коре. Поэтому наряду с определением кларков, т.е. величины средней концентрации элементов в земной коре в целом, необходимо учитывать их способность концентрироваться или рассеиваться в различных объектах – разных типах горных пород или в однотипных породах, но находящихся в разных геохимических провинциях, в рудах и др. Чтобы количественно оценить неоднородность химических элементов в земной коре, В.И. Вернадский ввел специальный показатель – кларк концентрации К к. Его числовое значение характеризует отклонение содержания элемента в данном объеме от кларка:

К К = А/К,

где А – содержание химического элемента в горной породе, руде, минерале и др.;

К – кларк этого элемента в земной коре. Если кларк концентрации больше единицы, это указывает на обогащение элементом, если меньше – означает снижение его содержания по сравнению с данными для земной коры в целом.

Изменение концентрации химических элементов в пространстве, отклонение от глобальной или местной геохимической нор МЬ1 __ не отдельные случаи, а характерная черта геохимической структуры земной коры. Это имеет очень важное значение для состава фотосинтезирующих организмов суши, которые образуют основную часть массы живого вещества Земли.

Литература

1. Алексеенко В.А. Экологическая геохимия. – М.: Логос, 2000. – 627 с.

2. Арене Л. X. Распределение элементов в изверженных породах // Химия земной коры. – М.: Наука, 1964. – Т. 2. – С. 293–300.

3. Вернадский В.И. Очерки геохимии // Избр. соч.: В 5 т. – М.: Изд-во АН СССР, 1954. – Т. 1. – С. 7–391.

4. Войткевич Г.В., Мирошников А.Е., Повареных А.С., Прохоров В.Г. Краткий справочник по геохимии. – М.: Недра, 1977. – 183 с.

5. Гольдшмит В.М. Принципы распределения химических элементов в минералах и горных породах // Сб. ст. по геохимии редких элементов. – М. – Л.: ГОНТИ НКТП СССР, 1930. – С. 215–242.

6. Добровольский В.В. География микроэлементов. Глобальное рассеяние. – М.: Мысль, 1983. – 269 с.

7. ПерельманА.И. Геохимия. – М.: Высш. шк., 1989. – 528 с.

8. Ронов А.Б., Ярошевский А.А. Новая модель химического состава земной коры // Геохимия. – 1976. – №12. – С. 1763–1795.