Тема 4. Внутренние геосферы земли; земная кора.

В твердом теле Земли выделяют три оболочки: центральную – ядро, промежуточную – мантию и наружную – земную кору. Наиболее признанной моделью строения Земли является модель Гутенберга – Буллена (рис.4.1). Ядро является внутренней, наиболее плотной оболочкой и делится на внешнее и внутреннее. Внешнее ядро находится в состоянии, приближающемся к жидкому. На границе мантия – ядро температура достигает 2 500 – 3 000 ⁰С, а давление около 300 Гпа. Во внутреннем ядре вещество находится в твердом состоянии. Это обусловлено высоким давлением, когда происходит деструкция вещества и оно находится в металлизированном или плазменном состоянии. Химический состав внутреннего и внешнего ядра примерно одинаков – железо – никелевый. Он близок к составу железных метеоритов; по преобладающим компонентам (Ni – Fe) эту оболочку еще называют «нифе».

Мантия – это самая крупная промежуточная оболочка; масса ее составляет около 2/3 массы Земли. Она расположена между поверхностью Мохоровичича (раздел Мохо или М) и границей Вихерта – Гутенберга.

Для верхней мантии характерны вертикальные и горизонтальные неоднородности. Горизонтальная неоднородность проявляется в отличии ее строения под континентальными и океаническими структурами. На глубине около 50 км под океаном и от 80 до 120 км под материками начинается слой астеносферы, состоящий из размягченного вещества с повышенной пластичностью.

Характерной особенностью этого слоя является пониженная скорость распространения упругих волн, а сверху и снизу его расположена среда с высокими сейсмическими скоростями. В этом слое упругая волна распространяется как канале, поэтому его называют еще сейсмическим волноводом. Под океанами астеносфера распространена до глубины 300 – 400 км, а под материками ее толщина 100 – 150 км. В ней расположено большинство очагов землетрясений и магматизма; это зона интенсивных проявлений подкорковых конвекционных течений, зарождения вертикальных и горизонтальных движений земной коры. Т.е., астеносфера является источником важнейших эндогенных процессов, которые определяют развитие земной коры, ее структуру и состав. Поэтому земную кору с верхней частью мантии, включая астеносферу, называют вместе тектоносферой. Промежуточные слои и нижняя мантия являются более гомогенными, чем верхняя мантия.

В составе мантии преобладают кремний и магний, поэтому этот слой тела Земли еще называют «сима» (от Si – Mg). Эти данные о химическом составе получены из анализов глубинных магматических пород, вынесенных в верхние горизонты Земли благодаря мощным тектоническим движениям. Верхняя мантия сложена, в основном, железо – магнезиальными силикатами, такими как оливин, пироксены, гранаты. В мантии преобладает твердое состояние вещества; очаги расплава наблюдаются в астеносфере.

На границе «земная кора – мантия» при температуре свыше 1 000⁰С и давлении около 2 000 МПа вещество переходит из кристаллического состояния в аморфное (стекловидное) с повышенной плотностью. Это состояние вещества поддерживается высоким давлением и при внезапном снижении его, например, при нарушении сплошности земной коры тектоническими разломами, происходит выплавление вещества мантии.

Как отмечалось, земная кора является главным объектом изучения геологии.

Земная кора – это верхняя каменная оболочка Земли, сложенная магматическими, метаморфическими и осадочными породами мощность от 7 до 70 - 80 км. Это наиболее активный слой твердого тела Земли, где проявляются магматические и тектонические процессы.

В литературе встречается также термин «литосфера», который иногда понимают как синоним понятия «земная кора», что неверно. Литосфера – это верхняя каменная оболочка, включающая земную кору и верхнюю мантию до кровли астеносферы. В ее состав входят слои, близкие по физическим свойствам и агрегатному состоянию вещества.

Земная кора имеет вертикальную и горизонтальную неоднородность своего строения.

В вертикальном строении земной коры выделяют 3 оболочки, которые сложены разными по составу, свойствам и происхождению горными породами – стратисферу, гранитную и базальтовую оболочки.

Стратисфера (от лат. «стратум» - слой) сложена осадочными и вулканогенно – осадочными породами. Это глины и глинистые сланцы (около 42%), песчаные породы (20%), вулканогенные и карбонатные (примерно по 19%). Слой покрывает почти всю поверхность Земли; средняя толщина около 3 км, в глубоких впадинах его мощность до 20 – 25 км.

Гранитная оболочка названа по сходству свойств слагающих ее пород со свойствами гранитов. В ее составе примерно 37,6% гнейсов, 19,9% гранодиоритов и диоритов, 18,1% гранитов, 9,8% амфиболитов, 9,0% кристаллических сланцев, мраморы, сиениты и другие породы. Горные породы в этом слое как неизменные, так и метаморфизированные; они разнообразны по составу и степени дислоцированности. Нижней границей гранитного слоя является сейсмический раздел Конрада на глубине 10 – 30км.

Базальтовая оболочка состоит из более тяжелых кристаллических пород, близких по свойствам к базальтам. Это магматические породы разной степени метаморфизма. В отдельных местах между базальтовым слоем и мантией расположен эклогитовый слой, плотность вещества которого выше чем в базальтовом слое.

Горизонтальная или площадочная неоднородность земной коры проявляется в разном строении ее на континентах и под океаническими впадинами. Участки земной коры, отличающиеся типом геологического строения, называются структурными элементами.

Различают структуры земной коры первого или планетарного порядка – это океаны и континенты, а также земную кору переходного типа – субокеаническую и субконтинентальную.

В структурах первого порядка выделяют структуры второго порядка: на материках – это платформенные и геосинклинальные (горноскладчатые) области; в океанической коре – это платформы и срединно - океанические хребты. Структуры второго порядка, в свою очередь, по особенностям строения могут делиться на более мелкие структуры– глобальные, региональные и локальные.

Платформы (от фр. «плат» - плоский; «форм» - форма) – это обширные тектонически устойчивые области. Они имеют средние и устойчивые значения мощности земной коры, горизонтальное залегание осадочных пород. Платформы обычно имеют двухярусное строение: кристаллический фундамент перекрывается слоем осадочных пород. Такие области называют плитами. Выходы фундамента на поверхность называют щитами.

Геосинклиналями (от греч. «гео» - земля; «син» - вместе; «клин» - наклон) называют линейно вытянутые тектонически подвижные зоны. Они характеризуются значительной (до 70 – 80 км) мощностью земной коры, ее резкими колебаниями, горным рельефом. Это горно-складчатые сооружения, как Урал, Кавказ, Памир и т.д.

Кора континентального типа состоит из трех слоев – осадочного, гранитного и базальтового. На отдельных участках гранитный слой может быть эродирован и на поверхность выходит базальтовый слой, как это имеет место в районе Балтийского щита.

Океаническая кора отличается от материковой меньшей мощностью (6 – 7 км) и составом – в ней нет гранитного слоя. Относительно тонкий (в несколько сотен метров) осадочный слой залегает на слое океанического базальта.

Субокеаническая кора развита во внутренних и краевых морях с глубинами до 2 км; от океанической отличается большей мощностью рыхлых осадков – 3 – 6 км и более.

Субконтинентальная кора характерна для окраин материков и островных дуг. От материковой она отличается меньшей мощностью. Другая ее особенность – постепенный переход от гранитного слоя к базальтовому.

Материковая кора переходит в океаническую довольно быстро на глубине около 2 км, где происходит выклинивание гранитного слоя. Базальтовый материковый слой обрывается на континентальном склоне и замещается иным по строению и составу океаническим базальтовым слоем.

ТЕМА 5. МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ЗЕМНОЙ КОРЫ,

Минералами (от лат.»минера» - руда) называют природные химические соединения или отдельные элементы, однородные по химическому составу и внутреннему строению, являющиеся продуктами различных геологических процессов. Изучением состава, строения, свойств, условий образования минералов занимается минералогия.

В земной коре в настоящее время найдено около 200 минеральных видов. Это значительно меньше числа неорганических соединений, получаемых лабораторным путем; количество их исчисляется десятками тысяч. Причинами ограниченности видов минералов являются неустойчивость многих химических соединений в условиях земной коры и переход их в более стабильное состояние.

Каждый минерал устойчив лишь в определенных термодинамических условиях. При их изменении он разрушается и переходит в новое, более устойчивое состояние в создавшихся условиях.

Породообразующими являются около 70 минералов; они наиболее распространены и составляют основу горных пород, слагающих земную кору.

Минералы обладают закономерным внутренним строением. В их кристаллической решетке атомы, ионы или их группы занимают строго определенные, геометрически закономерные места в пространстве. Места этих материальных точек в структуре называют узлами решетки.

К факторам, определяющим кристаллическую структуру минерала, относятся структурные единицы, их размеры, характер связей друг с другом, координация.

Структурными единицами для построения минералов служат ионы, атомы, иногда молекулы; большинство минералов – ионные постройки. Размеры слагающих минерал структурных единиц характеризуются эффективными радиусами. Это радиусы сферы воздействия данной структурной единицы на окружающие.

Структурные единицы соединяются друг с другом с помощью различных химических связей: ионной, ковалентной, донорно-акцепторной, металлической или молекулярной. По степени однородности химических связей минералы делятся гомодесмические гетеродесмические соединения. В гомодесмических устанавливаются связи только одного типа. Например, в галите NaCl и флюорите CuF₂ все связи ионные; в алмазе С – ковалентные; в самородной меди Cu – металлические. При наличии в минерале химических связей различных типов его относят к гетеродесмическим соединениям. Например, у гипса CaSO₄ 2H₂O между серой и кислородом в ионе SO₄^2- связь ковалентная; катион Са²⁺ связан с сульфат-ионом ионной связью; молекулы воды соединены с CaSO₄ молекулярными связями.

В кристаллической решетке атомы или ионы минерала окружают себя определенным числом соседей. Число ближайших соседей структурной единицы, одинаково расположенных по отношению к ней в кристаллической решетке, называется координационным числом. Значения координационных чисел в кристаллах минералов изменяются от 2 до 12, наиболее распространены координационные числа 6, 4, 8, 12. Координационное число зависит от соотношения размеров структурных единиц, типа химической связи, а также условий образования минералов.

Структурный мотив – это преимущественное направление распространения («сцепления») атомов, ионов и их групп (радикалов) в кристаллической решетке минерала. Он определяется характером химических связей и их направленностью. Выделяют 6 типов структурных мотивов:

1.Координационный характеризуется равномерным распределением атомов или ионов в кристаллических структурах. Координационный мотив с ионной связью имеет галит (NaCI); с ковалентной – алмаз (С); с металлической – самородные металлы.

2.Островной имеет в структуре обособленные группы атомов или радикалов, связи в которых более прочные, чем связи с окружающими структурными единицами. Островные структуры характерны для карбонатов, сульфатов, некоторых силикатов.

3.Кольцевой включает объединения групп атомов или радикалов в кольце различной конфигурации. Он сравнительно редок в кристаллических структурах минералов; примерами могут служить самородная сера и берилл.

4.Цепочечный отличается четкой направленностью наиболее прочных связей в кристаллической решетке, что выражается в наличии «бесконечных» групп атомов в виде цепочек. Сдвоенные цепочки называют лентами, а структуры – ленточными. Цепочечный мотив характерен для многих силикатов, сульфидов, оксидов.

5.Слоистый характеризуется двумерным распределением наиболее прочных связей в структуре, т.е. расположением структурных единиц (атомов, радикалов) в плоскости. Слоистый мотив развит в минералах, относящихся к классам силикатов, сульфатов, сульфидов.

6.Каркасный возникает, если образующие структуру радикалы через общие вершины соединяются друг с другом в виде трехмерного каркаса. К каркасным минералам принадлежат многие алюмосиликаты, в частности полевые шпаты, а также кварц.

Наибольшее число минералов имеет островное строение, реже встречаются минералы цепочечной структуры, и лишь около 50 минеральных видов имеют каркасное строение.

Полиморфизм –это явление построения различных кристаллических структур из вещества одинакового химсостава. Каждый минерал имеет свою собственную, только ему присущую кристаллическую решетку с определенной внутренней и внешней симметрией. Однако установлены случаи, когда одно и тоже по составу вещество может иметь различные кристаллические структуры. Это явление было обнаружено Э. Митгерлихом в 1920 г. и получило название полиморфизма (греч. «поли» - много, «морфэ» - форма). Пример этого явления - полиморфные модификации углерода – графит и алмаз. Графит имеет гексогональную систему кристаллической симметрии, а алмаз – кубическую. Оба эти минерала имеют один и тот же химический состав, но обладают совершенно несходными свойствами.

Большинство химических элементов периодической системы входят в состав минералов, т.е. являются минералообразующими. Минералообразующие элементы делят на две группы:

1.Видообразующие дают сомостоятельные минеральные виды, например, Si, O, H, Al, Ca, Na, Mg, Cu, S и другие

2.Рассеянные не дают самостоятельных минералов и входят в состав в виде примесей, например, Hf, Re, Ra, Ro и т.д.

Минералы представлены тремя типами химических соединений:

1.Простые вещества или самородные элементы. Это самородная сера и медь, графит, золото, платина и другие.

2.Оксиды и гидроксиды, например, корунд Al₂O₃ , рутил TiO₂ ,куприт Cu₂O и т.д.

3.Соли кислородсодержащих и безкислородных кислот, например, галит NaCl, пирит FeS₂ , кальцит CaCO₃ , барит BaSO₄ , фостерит Mg₂SiO₄ , ангидрит CaSO₄ и др. Это наиболее распространенный тип химических соединений минералов.

Соли имеют группы атомов, которые участвуют в реакциях как единое целое, и такие группы называют комплексными анионами или радикалами. Главными радикалами в минералах являются [SiO₄] в силикатах, [CO₃ ] в карбонатах, [SO₄ ] в сульфатах, [РО₄ ] в фосфатах.

Минералы могут состоять из соединений постоянного состава или определенных соединений и переменного состава или неопределенных соединений.

Определенные соединения в любых условиях сохраняют в своей структуре одно и то же соотношение минералообразующих элементов. К таким минералам относятся, например, галит NaCl, кальцит CaCO₃ , гематит Fe₂O₃ , кварц SiO₂ , куприт Cu₂O и т.д.

У неопределенных соединений состав колеблется в определенных пределах, причем эти колебания состава не связаны с посторонними механическими примесями. К этой группе принадлежит абсолютное большинство минералов. Способность к образованию соединений переменного состава обусловлена явлением изоморфизма.

Изоморфизм – это явление взаимного замещения атомов или ионов в кристаллической решетке минерала без нарушения ее строения. Образующиеся при этом вещества называют изоморфными смесями или твердыми растворами. В зависимости от соотношений замещающих друг друга единиц изомофизм бывает полный или совершенный и неполный или несовершенный. Примером полного изоморфизма является группа плагиоклазов – непрерывный изоморфный ряд, крайними членами которого являются альбит Na[AlSi₃O₈] и анорит Ca[Al₂ Si₂O₈] со схемой замещения NaSi  CaAl. Несовершенный изоморфизм более распростанен. Примером может служить кальцит CaCO₃ , где до 22% Са может замещаться Мg.