1.1.1.Литосфера

Литосфера является самой верхней твердой оболочкой земной поверхности (рисунок 1.1). На континентах (континентальная кора) и под океанами (океаническая кора) имеет резко различные мощность и состав

От нижележащей верхней мантии Земли она условно отделяется так называемой поверхностью Мохоровичича (Мохо), в пределах которой происходит существенное изменение ско­рости распространения сейсмических волн. Это позволяет судить о заметном увеличении плотности вещества верхней мантии, располагающегося ниже поверхности Мохо, по сравнению с плотностью пород литосферы.

В настоящее время человечество даже с помощью сверх­глубокого бурения не может непосредственно исследовать глубины Земли за пределами первых десяти километров. Вследствие этого, все представления о строении, свойствах и составе глубоких зон Земли и литосферы составляются на основе всесторонней интерпретации геофизических, главным образом сейсми­ческих, данных.

Исходя из сейсмических данных в континен­тальной коре на глубине 8—15 км (в среднем около 10 км) выделена поверхность Конрада, условно разделяющая более глубокий базальтовый и поверхностный гранитный слои континентальной литосферы.

Средняя мощность гранитного слоя, контактирующего с гидросферой и атмосферой, в среднем составляет несколько более 10 км. В результате механического и химического взаимодействия гранитного слоя литосферы с водной и газообразной оболочками земной коры образовался третий слой литосферы — осадочный, состоящий из осадочных пород различного состава. Средняя мощность осадочного континентального слоя составляет 1,8 км [ ]

Рисунок 1.1.

В целом, толщина литосферы по современным представлениям достигает 20- 40 км. Имеющиеся в настоящее время данные по минералогическому и химическому составу пород, слагающих литосферу, относятся к ее верхнему слою, толщиной до 20 км.

В литосфере преобладают магматические и излившиеся вулканические породы (граниты, диориты, габбро, базальты, сиениты, дуниты), на долю которых приходится около 95% массы литосферы. Оставшиеся 5% включают осадочные породы (глины, песчаники, известняки, эвапориты).

Средний химический состав литосферы определяется, в основном, "легкими" химическими элементами, которые характеризуются относительно небольшими и четными атомными массами. Это химические элементы с атомными номерами до 30 (атомный номер соответствует количеству протонов в ядре атома) (рисунок 1.2).

На долю 10 самых распространенных элементов приходится 99,59% от массы земной коры (таблица 1.1) 4.

Таблица 1.1. Кларки химических элементов в литосфере

Элемент	Атомный номер	Содержание в земной коре	Элемент	Атомный номер	Содержание в земной коре
кислород О	8	47%	натрий Na	11	2.5 %
кремний Si	14	29,5 %	калий К	19	2.5 %
алюминий Al	13	8,05 %	магний Mg	12	1.87 %
железо Fe	26	4,65 %	титан Ti	22	0,45%
кальций Са	20	2.96 %	марганец Mn	25	0,1%

На долю остальных химических элементов приходится менее 0,5% массы земной коры. К примеру:

Элемент	Содержание, г/т (%)	Элемент	Содержание, г/т (%)
медь Cu	47 (0.0047)	золото Au	0.0043 (4.7*10-7)
цинк Zn	83 (0.0083)	марганец Mn	1000 (0.1)
олово Sn	2.5 (0.00025)	хром Cr	83 (0.0083)

Рисунок 1.2. Кларки химических элементов в литосфере

Распределение химических элементов в литосфере также подчиняется эмпирическому правилу Оддо-Гаркинса, согласно которому в литосфере преобладают химические элементы с четными атомными номерами (четное число протонов в ядре). На их долю приходится до 86,5% от массы литосферы.

К примеру:

Элемент, атомный номер	Содержание, г/т	Элемент, атомный номер	Содержание, г/т
Бор (В), 5	12	Марганец (Mn), 25	1000
Углерод (С), 6	230	Железо (Fe), 26	46500
Азот (N), 7	19	Кобальт (Со), 27	18
Скандий (Sc), 21	10	Рубидий (Rb), 37	150
Титан (Ti), 22	4500	Стронций (Sr), 38	340
Ванадий (V), 23	90	Иттрий (Y), 39	20

В результате этого, минеральный состав литосферы на 98% представлен природными химическими соединениями (минералами) 10 наиболее распространенных элементов (таблица 1.2).

Таблица 1.2. Распространенность минералов в гранитной оболочке литосферы Б

Минерал	Содержание, %
Кварц SiO2	22,9
Полевые шпаты K[AlSi3O8], Na[AlSi3O8], Ca[Al2Si2O8]	54,2
Амфибол R7Si4O11](OH)2 (где R= Mg, Ca, Fe)	9,8
Слюды K(Mg,Fe)3(OH,F)[Si2O10] , KAl2(OH,F)[AlSi2O10]	5,5
Пироксен CaMgSi2O6	3,5
Магнетит Fe2O3FeO	1,3
Ильменит FeTiO3	0,6
Карбонаты CaCO3MgCO3	0,5

Минералы, слагающие гранитную оболочку литосферы вступая на поверхности земной коры в химические реакции с растворами гидросферы и кислородом атмосферы, образуют комплекс гипергенных минералов, сочетание которых определяет химический состав пород осадочного слоя литосферы. Общая схема образования продуктов гипергенного изменения основных минералов гранитного слоя приведена в таблице 1.3 2.

В процессах гипергенеза гранитного слоя ряд химических элементов полностью или частично выносится водными растворами из зоны гипергенеза и попадает в гидросферу, почвы и в дальнейшем может усваиваться растениями, животными и человеком. Следует отметить, что в процессах гипергенеза значительную, а иногда и решающую роль играет живое вещество биосферы.

Вследствие процессов гипергенеза химический состав осадочных пород в заметной степени отличается от гранитной оболочки литосферы (таблица 1.4).

Таблица 1.3. Продукты гипергенного преобразования главных породообразующих минералов

Породообразующие минералы гранитной оболочки	Продукты гипергенного преобразования
Кварц SiO2	Подвергается лишь физическому изменению (механическое ращрушение, измельчение).
Полевые шпаты K[AlSi3O8], Na[AlSi3O8], Ca[Al2Si2O8]	Глинистые минералы: каолинит Al4[Si4O10](OH)8, галлузит Al4[Si4O10](OH)8 4H2O, алофан mAl2O3nSiO2pH2O, монтмориллонит Na(Mg,Al)2[Si4O10](OH)2·4H2O, иллит Al(OH)2((Si,Al)2O5))K(H2O)
Слюды K(Mg,Fe)3(OH,F)[Si2O10] , KAl2(OH,F)[AlSi2O10]	Хлорит H4Mg2Al2SiO9, оксиды железа Fe2O3, FeO
Амфибол R7Si4O11](OH)2 (где R= Mg, Ca, Fe)	Тальк Mg3Si4O10(OH)2
Пироксен CaMgSi2O6	Тальк Mg3Si4O10(OH)2
Оливин (Mg,Fe)2[SiO4]	R2-3Si2O5(OH)4, где R = Mg, Fe2+, Fe3+, Ni , Al, Zn, Mn.
Магнетит Fe2O3FeO	Лимонит FeOOH·(Fe2O3·nH2O)
Ильменит FeTiO3	Лейкоксен TiO2(H2O)nFe2O3 + лимонит FeOOH·(Fe2O3·nH2O)

Таблица 1.4. Кларки главных химических элементов литосферы в гранитной оболочке и осадочных породах.

Элемент	Содержание, %
	Гранитная оболочка	Глинистые породы	Пески и песчаники	Карбонатные породы
кислород О	48,0	49,5	51,5	49,2
кремний Si	30,8	25,45	34,7	3,4
алюминий Al	8,0	9,49	2,86	0,96
железо Fe	3,5	4,82	2,8	0,86
кальций Са	2,5	2,22	2,68	32,5
натрий Na	2,2	0,84	0,92	0,25
калий К	2,7	2,33	1,32	0,28
магний Mg	1,2	1,5	0,73	0,95
титан Ti	0,3	0,47	0,3	0,12
марганец Mn	0,1	0,05	0,04	0,04

В земной коре преобладают ядра с небольшим и четным числом протонов и нейтро­нов. Поскольку речь идет о среднем составе, эта закономерность не зависит от геологических процессов, определяющих образование гранитов, базальтов, известняков и других пород. Таким образом распростра­ненность химических элементов в основном связана не с земными, а с космиче­скими причинами — она унаследована Землей от космической стадии, когда еще до образования планеты, т.е. свыше 4,5 млрд. лет назад, существовало протопланетное облако с температурой в десятки миллионов градусов. В этом облаке не было атомов и тем более молекул, вещество представляло собой плазму, т.е. полностью ионизированный газ, состоящий из электронов, протонов, нейтронов. При понижении температуры в плазме синтезировались ядра атомов, в первую очередь легких, содержащих четное число протонов и нейтронов.

В отличие от Земли главным элементом космоса является водород Н, взаимодействие ядер которого в центральных частях звезд при температурах в десятки миллионов градусов приводит к синтезу ядер гелия Не. Поэтому Вселенная в основном имеет водородногелиевый состав. Синтез более тяжелых ядер имел подчиненное значение — распространенность их в звездах (в том числе на Солнце) много меньше, чем Н и Не. Наибольшее значение опять-таки имел синтез легких ядер, особенно четных (содержащих четное число протонов и нейтронов). Синтез тяжелых ядер, включающих большое число про­тонов и нейтронов, менее вероятен, образующиеся ядра часто оказывались неус­тойчивыми и постепенно распадались. Некоторая часть этих ядер не полностью разрушилась и дожила до наших дней. Неко­торые тяжелые ядра за прошедшие миллиарды лет распались полностью, и на Земле мы не знаем соответствующих элементов. Они были получены искусствен­но, часть открыта в звездах. Это технеций Те (№ 43), астат Аt (№ 85), Сm (№ 96), Вk (№ 97), Сf (№ 98) и другие трансурановые элементы.

Таким образом, главная закономерность распространенности элементов в биосфере — пре­обладание легких атомов, что связано со строением атомных ядер, их устойчи­востью, ядерным синтезом в центральных частях звезд.