Ганжара Геология и ландшафтоведение

В состав земной коры входят все известные химические элементы. Преобладают: О (46,4%), Si (28, 15%), AI (8,2%), Fe (5,6%), Са (4,3%), Na (2,4%), К (2%), Мg (2,4%). По сравнению с другими твердыми геосферами земная кора значительно обогащена кремнеземом, щелочными и щелочноземельными металлами, а так же радиоактивными элементами. В то же время, она сравнительно обеднена Fe, Ni, Ti.

Кислород входит в состав земной коры только в виде соединений. Состав земной коры часто выражают в виде набора оксидов: SiO2 (58%), Al2O3 (15%), FeO è Fe2O3 (8%), CaO (6%), MgO è Na2O (4%), K2O (2,5%), где доминируют преимущественно силикаты.

Доля различных горных пород в земной коре неодинакова. На магматические породы приходится более 70%, метаморфические породы составляют 17%, осадочные — более 12%.

Земная кора континентов и океанов существенно отличается по своему составу и строению.

Граница земной коры и нижележащей мантии выделяется довольно отчетливо всеми геофизическими методами. Впервые она была изучена югославским геофизиком А. Мохоровичичем. В его

честь эту границу в недрах Земли называют поверхностью или границей Мохоровичича (в западной научной литературе ее часто называют сокращенно — граница Мохо èëè Ì). Íèæå ýòîé ãðà-

ницы скорость продольных сейсмических волн резко возрастает до 7,8–8 км/с, а иногда и до 8,3 км/с; скорость поперечных — до 4,5–

4,7 êì/ñ.

Мантия распространяется до глубины около 2900 км. Это самая массивная из оболочек Земли — она составляет 83% объема Земли и более 68% ее массы.

В мантии Земли по строению, составу и свойствам выделяют три слоя: слой Гуттенберга до глубины 200–400 км, слой Галицина äî 700–1050 êì è нижнюю мантию — до 2885 км. В целом

в пределах мантии плотность вещества и скорость сейсмических волн быстро возрастают.

Мантия имеет сложное строение. В первом приближении первые два слоя обычно объединяют в верхнюю мантию.

Вещество мантии непосредственно не подвергалось химическому анализу, так как достать его пока еще невозможно.

Однако есть основания считать, что состав мантии отвечает составу каменных метеоритов (хондритов). Считается, что верхняя мантия сложена магматическими породами ультраосновного состава, главным образом перидотитами.

20

Перидотит на 80% состоит из минерала оливина (Mg, Fe)2 [SiÎ4] и на 20% из пироксена (Mg, Fe)2 [Si2O6]. По мнению некоторых уче- ных, резкое изменение плотности на границе земной коры и мантии связано с изменением химического состава вещества: переходом базальтов земной коры в перидотиты верхней мантии. Другие уче- ные предполагают изменение на этой границе не химического состава, а агрегатного состояния горных пород. Они считают, что ниже раздела Мохо базальты земной коры переходят в эклогиты. Это породы, близкие базальтам по химическому составу, но глубоко метаморфизованные, более плотные и обогащенные гранатом.

Вещество верхней мантии в целом находится в твердом состоянии, а нижней — одновременно в твердом и вязко пластичном состоянии.

Земную кору и область верхней мантии, упруго деформирующуюся под вертикальной нагрузкой на кору, относят к литосфере (рис. 1.1). С увеличением возраста океаническая литосфера достигает мощности 100 км.

Континентальная литосфера немного толще.

Наименее вязкую часть области под литосферой, способную

перетекать с места на место, обеспечивая изостатическую компенсацию, называют астеносферой. Ее не следует отождествлять

с зоной низких скоростей. Мощность астеносферы составляет около 100 км.

Химический состав нижней и верхней мантии вероятно близок, однако,агрегатноесостояниевеществаверхнейинижнеймантиисильно различается.

По мнению ряда исследователей, не исключено, что нижняя мантия полностью состоит из плотных разновидностей, минераловоксидов с ведущим значением SiO2.

На глубине около 2900 км отмечается новая граница раздела,

отделяющая мантию от ядра Земли. Эта граница часто именуется поверхностью Гуттенберга (существует такой же слой в верх-

ней мантии). Поперечные волны через эту границу не проходят. Ядро Земли обладает сложным концентрическим строением.

В нем выделяют внешнее и внутреннее ядра, и переходную оболочку между ними. Ядро Земли составляет 32.7% массы и 17% объема Земли. Согласно термодинамическим расчетам температура на внешней границе ядра достигает 2500–3000 °С, а давление 300 ГПа. Средняя плотность ядра — 5,520 г/см3.

Внешнее ядро расположено на глубине от 2900 до 4980 км, переходная оболочка — 5100 км, а внутреннее ядро находится ниже 5100 км.

21

Предполагают, что внешнее ядро Земли находится в жидком агрегатном состоянии. Здесь отмечается высокая электропроводность. Кроме того, расчеты показывают, что механическое сцепление между нижней мантией и внешним ядром очень слабое. В результате мантия Земли и ее ядро могут вращаться независимо относительно друг от друга. Считается, что химический состав внешнего ядра представлен расплавом оксидов или сульфидов железа с примесью кремния, углерода и некоторых других элементов.

В нижней части внешнего ядра находится еще одна крупная граница раздела. Здесь вновь наблюдается увеличение скорости продольных сейсмических волн, что позволяет сделать предположение о твердом агрегатном состоянии вещества внутреннего ядра, по составу соответствующему «железным метеоритам» — примерно третья часть — Ni и две третьих частей Fe с примесью серы и кислорода. Во внутреннем ядре плотность вещества достигает 12,5–13 г/см3.

22

Глава 2. Минералы и горные породы

2.1.Процессы образования минералов

èгорных пород

Âэтом разделе кратко рассматриваются основные процессы образования минералов и горных пород, для того чтобы лучше усвоить основное содержание этой главы. Более подробно геологи- ческие процессы будут рассмотрены в главе 3.

Выделяют две группы процессов образования минералов и гор-

ных пород:

1. Эндогенные или гипогенные (глубинные) процессы.

Протекают они внутри Земли за счет ее внутренней энергии. В результате этих процессов образуются первичные минералы и мас-

сивные в основном кристаллические породы.

2. Экзогенные или гипергеные (поверхностные) процессы, происходят на поверхности Земли, главным образом под воздействием солнечной энергии. В результате — образуются вторич- ные минералы и осадочные породы.

Эндогенные процессы

Подразделяются на магматические и метаморфические.

Магматические процессы. Магматические процессы протекают на больших глубинах при высокой температуре и давлении. Застывание и кристаллизация магмы приводят к образованию различных магматических (изверженных) горных пород и минералов (температура 700–800°, иногда до 1200°).

По способу образования магматические породы подразделяются на внедрившиеся (интрузивные) и излившиеся (эффузив-

íûå). Первые — формируются на большей или меньшей глубине от поверхности земли, в толще осадочных, метаморфических или других изверженных пород, которые они прорывают. Вторые — образуются из магмы, достигшей земной поверхности при извержениях вулканов. Они представляют собой затвердевшие вулканические лавы и близкие к ним породы.

В свою очередь магматические процессы включают собствен-

но-магматические и постмагматические.

23

Сущностью собственно-магматических процессов является кристаллизация магмы на глубине при температуре 800–1200 °С и давлении в 3–8 тыс. атмосфер с образованием горных пород и

минералов класса силикатов (амфиболов, пироксенов и др.).

Постмагматические процессы (послемагматические) ïîä-

разделяются, в зависимости от стадии затвердевания магмы. Среди них различают: пегматитовые, пневматолитовые, гидро-

термальные и пневматолитово-гидротермальные процессы. Пегматитовый процесс связан с остыванием и кристаллиза-

цией остаточного магматического расплава в верхней части магматического очага, оставшегося после кристаллизации основного объема магмы, обогащенного парами и газами. Процесс протекает на глубине 3–8 км при температуре 600–900 °С, с образованием особых минеральных тел — пегматитовых жил различного типа, состоящих из крупных кристаллов минералов, среди которых поле-

вые шпаты, кварц, слюды и др.

Пневматолитовый процесс — (эксгаляционный) происходит в кратерах, пустотах лавовых потоков, на склонах вулканов. Он проявляется в образовании минералов непосредственно из вулка-

нических эксгаляций газов и паров (температура выше 200–300°). Гидротермальные процессы протекают с участием горячих

водных растворов, восходящих из магматических очагов. Как правило, эти растворы циркулируют вдоль трещин, при заполнении которых формируютсяхарактерныеминеральныетела(гидротермальныежилы)

èразличные минералы (золото, серебро, галенит и др.). Различают высокотемпературные (200–300°), среднетемпературные (100–200°)

èнизкотемпературные (<100°) гидротермальные процессы.

Пневматолитово-гидротермальные процессы совершают-

ся при воздействии на горные породы высокотемпературных (300– 500°) газово-водных растворов (надкритических флюидов) и носят, главным образом, метасоматический характер, т.е. выражаются в замещении минералов, ранее образовавшихся горных пород, новообразованными минеральными ассоциациями.

Метаморфические процессы. Различают следующие четыре типа процессов метаморфизма: регионально-метаморфичес-

кие, динамометаморфические, контактно-метаморфические и метосамотические.

Регионально-метаморфические. Происходят в условиях высоких температур и давления. В зонах интенсивного прогибания земной коры горные породы попадают в глубокие слои и подверга-

24

ются воздействию высокой температуры и давления, высокотемпературных водных растворов. В результате на значительных территориях происходит перекристаллизация пород с существенным изменением их первоначального минерального состава. Меняется облик пород. Из тонкозернистых, землистых или стекловатых они превращаются в кристаллические породы и обычно приобретают

сланцеватое сложение.

Динамометаморфические процессы — преобразование горных пород под воздействием ориентированного давления. Протекает в пределах сравнительно узких зон тектонических разломов. Этот процесс выражается в деформации пород (дроблении), рассланцевании и нередко сопровождается перекрис-

таллизацией.

Контактово-метаморфические процессы заключаются в изменении вмещающих горных пород под воздействием температуры внедрившихся в них массивов изверженных пород (интрузивов). Контактово-метаморфические процессы тесно связаны с кон-

тактово-метасоматическими процессами.

Метасоматические процессы большей частью ограничиваются явлениями перекристаллизации вещества горных пород под воздействием высокой температуры, давления и при участии нагретых водных растворов, с образованием новых минеральных ассоциаций. Частным случаем метасоматических процессов являются контактово-метасоматические, выражающиеся в химическом взаимодействии изверженных пород с контрастными по химическому составу вмещающими породами.

Между всеми перечисленными процессами образования минералов и горных пород наблюдаются взаимные переходы, и в природе не всегда удается их четко разделить.

Экзогенные процессы

В результате экзогенных процессов образуются вторичные минералы и осадочные горные породы. Выделяют следующие виды проявления экзогенных процессов: выветривание (физическое, химическое и биологическое) горных пород различного происхождения, перенос продуктов выветривания, отложение их в виде осадка (денудация) и последующее окаменение (диагенез).

Выветривание Физическое выветривание — процесс механического разру-

шения горных пород под влиянием колебаний температуры воздуха,

25

замерзания и оттаивания воды в трещинах, при движении ледников, вымывания частичек горных пород текучими водами, выдувания их

ветром, дробления морскими волнами береговых скал и т.п. Химическое выветривание — процесс химического измене-

ния и разрушения горных пород и минералов с образованием новых минералов и, в конечном итоге, новых пород.

Химические реакции происходят при участии воды, углекислого газа, кислорода и других веществ.

Вода растворяет вещества, содержащиеся в горных породах и минералах, при этом в раствор поступают катионы и анионы, изменяющие кислотно-щелочные условия. Это увеличивает растворяющую способность воды. Разложение минералов водой усиливается с повышением температуры и насыщением ее углекислым газом, который подкисляет реакцию среды. Гидролиз минералов, реагирующих с водой, приводит к образованию новых минералов. В преобразовании минералов в присутствии угольной кислоты большую роль играют реакции карбонатизации (образования карбонатов) и декарбонатизации (разрушение карбонатов).

Реакции окисления-восстановления принимают активное участие в процессах гипергенеза. Красные, красно-бурые, желтые окраски кор выветривания обусловлены окисленными формами железа, марганца и других элементов. В восстановительных условиях преобладают сизые и серые тона. В ходе химического выветривания развивается элювиальный процесс — вынос с растворами ряда элементов за пределы коры выветривания. В первую очередь вымываются наиболее растворимые соединения, что обусловливает стадийность процесса выветривания. В соответствии со стадийностью и химическим составом существует большое разнообразие кор выветривания. Они подразделяются по возрасту: современные, древние, ископаемые; по геохими- ческому типу: элювиальные, транзитные, аккумулятивные; по вещественному составу и стадиям выветривания: обломочные (состоят из обломков пород), засоленные (содержат водорастворимые соли), сиаллитные (отношение SiO2:Al2O3>2), аллитные (SiO2:Al2O3<2). Обломочные, сиаллитные коры выветривания формируются и сохраняются в условиях умеренного климата и характеризуются начальными стадиями выветривания; аллитные, более зрелые, — формируются в условиях влажного тропического климата.

В процессе выветривания преобладает разрушение первичных минералов, которые образовались в глубоких слоях земной коры при высоких температурах и давлении. Попадая на поверхность земной коры, в иные термодинамические условия, они теряют устойчивость.

26

Первичные минералы различаются по устойчивости к выветриванию в соответствии со строением и составом. Наиболее устой- чивым из широко распространенных минералов является кварц, к мало устойчивым относятся полевые шпаты. Образующиеся в процессе гипергенеза вторичные глинистые минералы, играют большую роль в процессах почвообразования и являются более устой-

чивыми к выветриванию, в условиях земной поверхности.

Биологическое выветривание — процесс разрушения и изменения горных пород и минералов под действием организмов и продуктов их жизнедеятельности. При биологическом выветривании механизмы процессов разрушения, изменения минералов и пород те же, что и при физическом и химическом выветривании. Однако интенсивность процессов существенно увеличивается, поскольку увеличивается агрессивность среды. Корни растений и микроорганизмы выделяют во внешнюю среду углекислый газ и различ- ные кислоты (щавелевую, янтарную, яблочную и др.). Нитрофикаторы образуют азотную кислоту, серобактерии — серную. В процессе разложения мертвых остатков растений и животных образуются агрессивные гумусовые кислоты — фульвокислоты, способные разрушать минералы. Многие виды бактерий, грибов, водоросли, лишайники могут усваивать элементы питания непосредственно из первичных минералов, разрушая их при этом. Именно таким является механизм первичного почвообразования.

В верхней части коры выветривания процесс выветривания протекает совместно с процессом почвообразования и является неотъемлемой составной частью почвообразования, так же как почвообразование является неотъемлемой частью выветривания. Однако в более глубоких слоях за пределами почвенного профиля, а также в подводных ландшафтах выветривание выделяется как самостоятельный процесс. В этих слоях в процессах выветривания так же принимают участие микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности.

Перенос продуктов выветривания осуществляется геологическими агентами, действующими на поверхности земли (морские волны и течения, реки, ручьи, временные водные потоки, ледники, ветер). Перенос сопровождается непрерывным дополнительным разрушением, истиранием и окатыванием обломков, их сортировкой по размеру и массе. При этом происходит концентрация наиболее

тяжелых и устойчивых к разрушению минералов в россыпях.

Осадкообразование (седиментогенез) заключается в отложении материала разрушенных горных пород в озерах, морях и океанах. В зависимости от вида осаждения различают механические,

27

коллоидные, химические, биохимические осадочные процессы и

соответствующие им осадки.

Диагенетические процессы охватывают все явления преобразования осадков сразу же после их отложения и уплотнения. Они выражаются, преимущественно, в обезвоживании гидрооксидов, раскристаллизации коллоидных осадков, замещении органических остатков карбонатами, минералами кремнезема, сульфидами же-

леза и т. п. Результатом этих процессов являются окаменение осадков (литификация) и образование плотных осадочных горных по-

ðîä.

Инфильтрационные процессы характеризуются выщелачи- ванием значительной части химических элементов грунтовыми водами, при просачивании сквозь толщу горных пород, с последующим образованием специфических низкотемпературных минеральных ассоциаций.

2.2. Минералы

Минералами называются однородные природные химические соединения или самородные элементы, возникающие при различ- ных химических и физико-химических процессах, протекающих в земной коре. Они обладают относительно постоянными химическим составом, внутренним строением и физическими свойствами.

Минералы в природе могут быть газообразные (кислород или азот), жидкие (ртуть, вода), твердые аморфные (янтарь, вулкани- ческое стекло), твердые кристаллические (кварц, медь).

Большинство минералов имеют кристаллическое строение. Кристаллы и кристаллические вещества изучает раздел минералогии — кристаллография. Кристаллы часто имеют форму различных многогранников — кубов, призм, пирамид, октаэдров и др. Дисперсные системы, состоящие из мельчайших частиц диаметром от 10-4 äî 10-6 мм, получили название коллоидов. К ним относятся некоторые природные гели, в которых дисперсная среда (вода) занимает пространство между коллоидными частицами (опал).

Всего известно около 2 тыс. минералов, а число разновидностей достигает 4 тыс. Широкое распространение в почвах и почвообразующих породах имеют около 50 минералов. Все минералы подразделяются на первичные и вторичные.

Первичные минералы (кварц, полевые шпаты и др.) образовались в глубоких слоях земной коры при высоких температурах и давлении. Из них состоят магматические породы.

28

Существует определенная последовательность кристаллизации минералов из магмы. Н. Боуэн выделяет два ряда. Первый ряд представлен кристаллизацией магнезиально-железистых силикатов

от высокотемпературного оливина до биотита: оливин (1557°С)

ромбический пироксен моноклинный пироксен амфибол биотит. Второй ряд — минералами группы плагиоклазов от анортита (1550°С) до альбита (1100°С). Завершают эти ряды калиевый полевой шпат, мусковит и кварц. Ýòè ðÿäû

показывают главное направление в формировании пород. Первичные минералы неустойчивы в условиях земной поверх-

ности и подвергаются процессам выветривания. Они входят в состав почвенных частиц диаметром более 0,001 мм.

Вторичные минералы образуются в результате преобразования первичных минералов, в зоне гипергенеза, экзогенными процессами. Экзогенные процессы выветривания происходят под воздействием солнечной энергии при участии О2, ÑÎ2, Í2О, хими- ческих реакций (гидролиз, окисление, восстановление, гидратация). Так, например, в результате гидролиза полевых шпатов образуется основная масса глинистых минералов — алюмосиликатов.

Вторичные минералы более устойчивы к процессам выветривания, по сравнению с первичными минералами. Они формируются в термодинамических условиях земной поверхности. Тонкодисперсные вторичные минералы входят в состав почв, с размером частиц менее 0,001 мм.

Из группы вторичных минералов в осадочных породах и почвах широко распространены слоистые алюмосиликаты (каолинит, монтмориллонит и др.), оксиды и гидрооксиды железа и алюминия, а также кальцит, гипс и другие простые соли.

Простые соли (поваренная соль, гипс, сильвин и др.) могут образовываться в результате процесса седиментации путем выпадения из насыщенных растворов на дне озер, морей и других водоемов.

С биогенными процессами связано образование минералов — биолитов. Они образуются после отмирания организмов, накапливающих значительные количества углекислых солей, фосфатных и кремнекислых соединений.

Одни и те же минералы могут иметь различное происхождение. Так, например, кварц и пирит могут образовываться экзогенным путем (на дне морских бассейнов), гидротермальным (в жилах), метаморфогенным и др.

29