11

ХИМИЯ ЛИТОСФЕРЫ И ПОЧВЫ

Литосфера (от гр. литос – камень и сфера) – внешняя твердая сфера Земли, включающая земную кору и наружную часть подстилающей ее верхней мантии. Литосфера подстилает атмосферу и в значительной мере перекрывается гидросферой, которая в той или иной форме проникает в ее различные горизонты, нередко образуя там значительные скопления подземных вод.

Строение и состав литосферы

Земная кора под океанами имеет мощность около 5–10 км. Мощность ее на материках под равнинами составляет 35–45 км, а в горных областях – около 70 км. Объем земной коры составляет приблизительно 10,2*10¹⁸ м³, масса – 28*10²¹ кг.

В строении материковой земной коры выделяют три слоя:

• Верхний слой – осадочный – представлен осадочными породами - глубина до 20 км, объем – 1*10¹⁸ м³, масса 2,5*10²¹ кг.

• Средний слой – гранитный – представлен в основном магматическими породами кислого состава, глубина до 40 км, объем 3,6*10¹⁸ м³, масса 10*10²¹ кг.

• Нижний слой – базальтовый – состоит преимущественно из габбро (магматическая горная порода основного состава, содержащая примерно в равных количествах основной плагиоклаз (лабрадор, битовнит), цветные минералы (пироксены, реже оливин и амфибол) и в небольших количествах рудные минералы), глубина до 60 км, объем 5,6*10¹⁸ м³, масса 16*10²¹ кг.

В океанической земной коре отмечаются только базальтовый слой и сильно редуцированный осадочный чехол.

Верхняя мантия – оболочка Земли, подстилающая земную кору до глубины около 900 км. Сложена преимущественно пиролитом, частично эклогитом (оливинпироксеновый состав). В верхней мантии развиваются процессы с которыми тесно связаны тектонические, магматические и метаморфические явления.

Земную кору и верхнюю мантию разделяет поверхность Мохоровичича или сокращенно Мохо. При переходе этой границы раздела скорость сейсмических волн возрастает скачком с 6,7–7,6 до 7,9–8,2 км/с, что установлено в 1926 г. югославом А. Мохоровичичем.

Состав литосферы

Горные породы – это естественные минеральные агрегаты определенного состава и строения, сформировавшиеся в результате геологических процессов и залегающие в земной коре в виде самостоятельных тел. Состав, строение и условия залегания горных пород обусловлены особенностями формирующих их геологических процессов, которые происходят в определенной обстановке внутри земной коры или на земной поверхности.

В зависимости от характера главных геологических процессов различают следующие генетические классы горных пород:

• Магматические горные породы – базальты, граниты и др. – 70 % всех пород – это естественные минеральные агрегаты, возникающие при кристаллизации магм (силикатных, а иногда несиликатных расплавов) в недрах Земли или на ее поверхности.

Классификация по условиям образования и залегания: плутонические – глубинные, и вулканические – формируются на поверхности и вблизи нее.

Классификация по содержанию кремнезема: кислые (70–90 % SiO₂), средние (около 60 % SiO₂), основные (около 50 % SiO₂), ультраосновные (менее 40 % SiO₂).

• Метаморфические породы – 17 % – породы, состав, структура и текстура которых обусловлены процессами метаморфизма – преобразованием породы действием высокого давления или температуры, при этом признаки первичного осадочного или магматического происхождения частично или полностью утрачены. Метаморфические породы – сланцы, гранулиты, эклогиты и др. Типичные для них минералы – слюда, полевой шпат и гранит, соответственно.

• Осадочные породы – 12 % – характерны для поверхностной части земной коры, образуются в результате:

– переотложения продуктов выветривания и разрушения различных

горных пород;

– химического и механического выпадения осадков из воды;

– жизнедеятельности организмов;

– всех процессов одновременно;

– жизнедеятельности растений, создающих за счет фотосинтеза новое органическое вещество – горячую породу.

• Обломочные породы являются продуктом механического разрушения исходных пород. К ним относятся (в порядке увеличения размера частиц) глины, песок, гравий, галька, щебень, глыбы и валуны.

• Хемогенные породы образуются в результате кристаллизации соединений из природных растворов. К ним относятся галит (NaCl), ангидрит (CaSO₄), гипс (CaSO₄ · 2H₂O), известняки (СaCO₃) и др.

• Биогенные горные породы формируются в результате жизнедеятельности живых организмов. По химическому составу их подразделяют на карбонатные, кремнистые и фосфатные.

Многие осадочные породы являются ценными полезными ископаемыми: песчаники – источники кварца SiO₂, известняки – источники кальцита СаСО₃, глины – источники каолинита Аl₄SiO₁₀(OH)₈ и т. д.

Химический состав земной коры: SiO₂ (57,6 %), NiO₂, Al₂O₃ (15,3 %), Fe₂O₃, FeO (4,27 %), MnO, MgO, CaO (6,99 %), Na₂O, K₂O, P₂O₅, H₂O, CO₂, S (0,04 %), Cl (0,05 %), C. (Данные на 1971 год) Совокупность данных свидетельствует о том, что вещество земной коры сложено в основном легкими элементами, а элементы, последующие в ПС в сумме составляют лишь доли процента. Элементы, имеющие четное значение атомной массы, значительно преобладают: они образуют около 86 % общей массы земной коры.

Ввиду неравномерности распределения элементов в земной коре для количественной оценки их распределения используются кларки концентраций:

К_к = А/К,

где А – содержание элемента в земной коре в данном регионе, % (мас.);

К – кларк элемента в земной коре, % (мас.)

Кларк элемента - число, выражающие среднее содержание химического элемента в земной коре, гидросфере, Земле, космических телах, геохимических или космохимических системах и др.

Большая часть земной коры состоит из силикатов, которые кристаллизуются из магмы или образуются в процессе метаморфизма. Основной структурной единицей силикатов является кремний -кислородный тетраэдр. Силикаты классифицируются по степени сложности кремний - кислородных решеток.

Мономерные силикаты (ортосиликаты) – оливин, форстерит (Mg₂SiO₄) и другие – построены из отдельных тетраэдров SiO₄^2-, связанных с атомами металла, и имеют четыре атома кислорода, не входящих в мостики. В цепочечных силикатах, например энстатите MgSiO₃, каждый тетраэдр имеет два обобщенных атома кислорода, связывающих тетраэдры в цепочку, и два немостиковых атома кислорода.

В структуре силикатов с двойной цепочкой отдельные цепочки соединены так, что чередующиеся тетраэдры имеют обобщенный кислород с соседней цепочкой и общее отношение Si : O равно 4:11. Такую структуру имеют минералы группы амфиболов, например тримолит Ca₃Mg₅Si₈O₂₂(OH)₂.

Следующую ступень полимеризации представляют слоистые силикаты, в которых цепочки соединены в непрерывные, наполовину ковалентно связанные листы так, что каждый тетраэдр имеет три обобщенных атома кислорода с соседним тетраэдром. В этой структуре имеется один не входящий в мостики атом кислорода и общее отношение Si:O равно 4:10. В гексагональных кольцах, образующихся при скрещивании цепочек, могут помещаться дополнительные анионы, обычно ОН^-. Данная структура является основным каркасом для группы слюд, например мусковита Mg₃(Si₄O₁₀)(OH)₄, и всех глинистых минералов.

В структуре каркасных силикатов каждый атом кислорода принадлежит двум соседним тетраэдрам, соотношение Si:O равно 1:2. Простейший минерал этого класса – кварц SiO₂. Некоторые тетраэдрические позиции могут замещаться алюминием, что обусловливает большое разнообразие каркасных алюмосиликатов. К этому классу относятся, например, полевые шпаты – наиболее распространенная группа минералов земной коры. Дисбаланс заряда, возникающий при замещении четырехвалентного кремния трехвалентным алюминием, нейтрализуется присоединением других одновалентных или двухвалентных катионов. Так, в полевом шпате ортоклазе KAlSi₃O₈ на атом алюминия в тетраэдрической позиции приходится один ион калия.