Химический состав земной коры. Минералы и горные породы
Основные геологические процессы
Процессы трансформации Земли и ее поверхности по масштабности, энергетике, формам проявления можно разделить на две крупные группы: эндогенные процессы и экзогенные процессы.
Эндогенные(в переводе с греческого рожденные внутри) изменения или процессы, протекающие на поверхности или внутри земного шара, но подчиняющиеся силам, заложенным в недрах Земли и мало зависящие от внешнего влияния.К эндогенным процессам относят медленные колебательные движения земной коры, выраженные в поднятиях и опусканиях различной скорости и амплитуды; движения земной коры, вызывающие землетрясения, складчатые и разрывные нарушения горных пород; тектонические движения, создающие горные сооружения; магматизм, проявляющийся внедрением магмы в земную кору и излиянием вулканических лав на ее поверхность.
Экзогенные(от греческого снаружи) процессы состоят в непрерывном перемещении вод и воздушных масс; в циркуляции воды в атмосфере, на поверхности и внутри Земли; химических и физических превращениях вещества под воздействием процессов выветривания; в разрушении, переносе и вторичном отложении горных пород; в жизнедеятельности организмов. Основными источниками энергии экзогенных процессов, является тепловая энергия Солнца и сила тяжести. Экзогенные процессы разделяются на несколько групп, соответствующих значению и роли различных внешних агентов в процессах выветривания: геологическая деятельность ветра, поверхностных проточных вод, болот, ледников, подземных вод, морей и океанов. Результатом деятельности экзогенных процессов является денудация - совокупность процессов разрушения горных пород и сноса продуктов разрушения в понижения.
Таким образом, эндогенные процессы преимущественно создают масштабные структуры на поверхности Земли, формируют запасы потенциальной энергии, то есть являются конструктивными, а экзогенные – их разрушают, выравнивают, формируя осадочные горные породы, являясь, таким образом, деструктивными. Их совокупное действие обусловливает циклическое и направленное развитие вещества и структур земной коры.
Химический состав земной коры. Минералы и горные породы
Для установления химического состава земной коры ученые мира тщательно изучают горные породы и минералы, выходящие на дневную поверхность, взятые из горных выработок и скважин, вынесенные с глубин в кимберлитовых трубках взрыва. Первые сводки по составу земной коры, были опубликованы американским ученым Ф.Кларком в 1889 году. По мере получения новых материалов, данные о среднем составе земной коры уточнялись. Из российских ученых большую работу в этом направлении проделали В.И.Вернадский, А.Е.Ферсман, А.П.Виноградов, А.А.Беус, А.Б.Ронов и А.А.Ярошевский.
По данным А.П.Виноградова, в земной коре преобладают следующие элементы (в массовых процентах): кислород – 47,00; кремний – 29,50; алюминий – 8,05; железо – 4,65; кальций – 2,96; натрий и калий по 2,50; магний – 1,87; титан – 0,45; прочие элементы – 0,52%. Таким образом, девять элементов дают в сумме 99,48% состава земной коры. Причем, кислород слагает почти половину земной коры, а на долю кремния приходится более четверти. Вместе эти элементы образуют три четверти массы земной коры.
По инициативе А.Е.Ферсмана среднее содержание какого-либо элемента в земной коре или другой природной системе (живом веществе, Мировом океане и др.) названокларком. Установление этих констант имело громадное значение для определения закономерностей распределения в окружающей среде различных химических элементов и их соединений и переходу от химического подхода к изучению распространенности и миграции веществ к геохимическому. Некоторые, часто встречающиеся в природе сочетания химических элементов, образуют стабильные, устойчивые соединения, способные сохраняться в периоды, измеряемые геологическими масштабами времени названы минералами.
Минерал -это природное неорганическое вещество с кристаллической структурой, состоящее из одного элемента, либо из закономерного сочетания разных элементов и обладающее определенными физическими свойствами. Изучением состава, строения, свойств и происхождения минералов занимается минералогия. Все процессы минералообразования можно объединить в три группы.
1 Процессы, идущие непосредственно в магме или в зонах, окружающих магматические очаги, под влиянием высоких температур, горячих газов и водных растворов.
2 Гипергенные процессы, происходящие в атмосфере, гидросфере и верхней части земной коры под влиянием воды, воздуха и живых организмов.
3 Метаморфические процессы, идущие на значительных глубинах при высоком давлении и температуре.
В природных условиях резкие границы между отдельными минералообразующими процессами не всегда имеют место. Общее число минералов не так уж велико – порядка 2000, из них широко распространены 400-500 видов. Наибольшее распространение имеют около 50 минералов, названных породообразующими (остальные второстепенные или акцессорные). Разнообразие химического состава, условий формирования минералов приводит к разнообразию их физических свойств и облика. Эти особенности, названные диагностическими признаками включают как визуально определяемые, так и внешне не проявляющиеся свойства минералов. В число наиболее часто используемых входят:
- цвет;
- форма кристаллов и морфология минералов;
- удельный вес;
- твердость;
- цвет черты (оставляемой минералом на фарфоровой пластинке);
- спайность (способность минерала раскалываться по определенным плоскостям), а в случае ее отсутствия излом;
- блеск (особенности отражения световых лучей поверхностью минерала);
- прозрачность.
Более специфическими и редко встречающимися являются:
- магнитность;
- побежалость (радужная пленка на поверхности минерала);
- ирризация (ложная радужная окраска внутри минерала);
- реакция с 5% соляной кислотой (в виде вскипания);
- вкус;
- запах;
- ощущение на ощупь;
- радиоактивность;
- люминесценция (светятся под воздействием катодных и ультрафиолетовых лучей).
Так как минералы – это определенные сочетания химических элементов в основу их классификации положен химический состав. Выделяются следующие крупные группы (типы) минералов:
1. самородные элементы;
2. сернистые и близкие им соединения (сульфиды, арсениды, антимониды и др.);
3. галоидные соединения;
4. оксиды и гидрооксиды;
5. кислородные соли, в том числе:
- карбонаты;
- силикаты;
- сульфаты, хроматы, вольфраматы, молибдаты;
- фосфаты, арсенаты, ванадаты и некоторые другие.
Решающую роль в распространенности минералов играют кларки образующих их элементов. Чем выше содержание элемента в земной коре (кларк) тем, больше количество и распространенность минералов, в состав которых он входит. Неудивительно, что известно более 1000 минералов, в состав которых входит кислород, несколько сотен минералов кремния, более 200 минералов железа и всего лишь несколько минералов кадмия. Некоторые химические элементы с низкими кларками вообще не образуют собственных минералов, а существуют в рассеянном виде (в виде примесей). Закономерно, что наиболее распространенным минералом является кварц – SiO2, а наиболее крупным классом минералов – класс силикатов (более трети всего количества известных минералов). С учетом ионного радиуса, кислород (почти половина массы земной коры) слагает более 90% всего объема земной коры. Поэтому твердая оболочка Земли состоит в основном из кислородных ионов, между которыми находятся остальные химические элементы.
Наиболее часто встречающиеся устойчивые сочетания минералов, образующие большие агрегатные скопления называютсягорными породами. При этом те минералы, которые определяют вид горной породы, должны всегда содержаться в составе данной породы. Другие минералы, характеризующие разновидности, могут и не присутствовать в некоторых видах горной породы. Не все сообщества минералов можно назвать горной породой.
Горными породамиявляются такие естественные парагенетические (связанные общностью происхождения) сообщества минералов, которые образуют геологически самостоятельные и сравнительно однородные тела. Породы, включающие два и более минералов, являются полиминеральными (гранит). Породы, состоящие из одного минерала, называются мономинеральными (мрамор). По условиям образования (генезису) горные породы делятся на три группы:
- магматические или изверженные породы образуются при застывании природных расплавов (магма, лава), зарождающихся в недрах Земли;
- осадочные образуются на поверхности Земли при разрушении любых ранее существовавших пород и минералов с последующим механическим или химическим отложением продуктов их разрушения, а также благодаря жизнедеятельности или отмирания организмов;
- метаморфические породы образуются в недрах Земли в результате преобразования осадочных, магматических и ранее существовавших метаморфических пород под воздействием высокой температуры, высокого давления и химически активных веществ.