книги из ГПНТБ / Борголов И.Б. Геология с основами минералогии и петрографии учеб. пособие для студентов с.-х. вузов, обучающихся по специальности агрономия, агрохимия и почвоведение

Рис. 2. Схема внутреннего строения Земли.

Плотность горных пород осадочного слоя колеблется от 1 до 2,65 г/см3. Также не постоянна мощность осадочного слоя, которая изменяется от нескольких метров до 10— 15 км. Наблюдаются участки, где осадочный покров полно­ стью отсутствует.

Гранитный слой преимущественно сложен магматически­ ми и метаморфическими породами, в составе которых пре­ обладают алюминий и кремний. Среднее содержание крем­ некислоты в них превышает 60%, поэтому их называют кис­ лыми породами. Плотность пород этого слоя колеблется в

ми, например, на дне Атлантического и Индийского океанов, этот слой совершенно отсутствует либо его мощность крайне незначительна. Сейсмические волны проходят гранитный

30

Базальтовый слой залегает непосредственно под гранит­ ным и присутствует повсеместно. Мощность его колеблется от 5 до 30 км. По химическому составу и физическим свой­ ствам вещество этого слоя приближается к базальтам, т. е. к основным породам, в которых содержание кремнезема го­ раздо меньше, чем в гранитах. Плотность вещества в этом слое возрастает до 3,32 г/см3. Скорость продольных сейсми­ ческих волн постепенно возрастает, доходя у нижней грани­ цы слоя до 7 км/сек. Нижняя граница базальтового слоя принимается за нижнюю границу земной коры. Характерно, что у этой границы скорость волн скачкообразно возрастает до 8,0—8,2 км/сек, и она еще называется границей Мохоровичича, по имени югославского ученого, который впервые ус­ тановил ее.

Земная кора весьма неоднородна как по составу, так и по мощности. Так, например, под некоторыми океанами она состоит из маломощного осадочного слоя, под которым за­ легает базальтовый слой мощностью от 5 до 15 км. Под кон­ тинентами земная кора обычно представлена всеми тремя слоями: осадочным, гранитным и базальтовым, и достигает мощности 40—50 км. Под некоторыми молодыми горными сооружениями ее мощность еще больше и достигает 80 км.

Мантия Земли. Она представляет собою следующую за литосферой геосферу Земли. Иногда ее называют подкоро­

2900 км.

На основании изменения скорости распространения про­ дольных сейсмических волн в толще мантии выделяют три слоя: верхний «В», расположенный на глубинах от 8—80 до

железисто-магнезиальных силикатов типа минералов оли­ вина и пироксена. Щелочная базальтовая лава, поднимаю­ щаяся с больших глубин, иногда захватывает и выносит на поверхность отдельные обломки вещества верхней мантии, отвечающие по составу ультраосновным породам.

С верхней мантией связаны явления вулканизма, многие землетрясения и тектонические процессы, поэтому изучению ее в последнее время уделяется большое внимание. В на­ стоящее время в СССР и других странах разработаны про­ екты бурения сверхглубоких скважин, которые должны дой­ ти до верхней мантии. Такую скважину предполагают про-

31

бурить в районе Кольского полуострова, где на поверхность выходят наиболее древние архейские породы. Для разработ­ ки методики бурения подобных скважин одна сверхглубокая скважина с проектной глубиной 7 км заложена в районе Прикаспийской низменности.

В переходном слое «С» давление достигает 246 тыс. атм. Поэтому вещество здесь находится в твердом состоянии и обладает плотностью 4,68 г/см3. Скорость прохождения про­ дольных сейсмических волн в этом слое возрастает от 9 до

11,4 км/сек.

Нижний слой мантии «Д»- характеризуется, как предпо­ лагают, однородным составом и состоит из вещества, бога­ того окислами железа, магния и в меньшей степени алюми­ ния и титана. Плотность вещества в нем увеличивается ог 5,69 до 9,4 г/см3. Продольные сейсмические волны проходят со скоростью 11,4—13,6 км/сек.

Граница между мантией и ядром достаточно четко уста­ навливается на глубине 2900 км, где имеет место преломле­ ние и частичное отражение продольных сейсмических волн.

Ядро Земли. По расчетам ученых, плотность ядра Земли должна соответствовать плотности железа в соответствую­ щих условиях давления. Поэтому в настоящее время широко распространено представление о железо-никелевом составе ядра, обладающего магнитными свойствами. Присутствие в ядре этих тяжелых металлов связывают обычно с первич­ ной дифференциацией вещества по удельному весу.

По современным представлениям, ядро разделяют на внешнюю и внутреннюю части. Во внешней части ядра дав­ ление определяется в 1,5 млн. атм. Плотность вещества со­ ставляет 12 г/смг. Продольные сейсмические волны здесь проходят со скоростью от 8,1 до 10,4 км/сек, уменьшаясь до 9,5 км/сек внутри внешнего ядра.

Во внутреннем ядре давление достигает 3,5 млн. атм., плотность вещества резко возрастает до 17,3—17,9 г/см3. Повидимому, повышение плотности вещества во внутреннем ядре связано с разрушением под влиянием больших давле­ ний электронной оболочки у некоторой части атомов и их сближением на значительно меньшие расстояния, чем это возможно при обычных условиях.

Благодаря опытам по влиянию высоких давлений на температуру плавления металлов, в настоящее время ус­ тановлено, что ряд металлов, в том числе железо с при­ месью никеля и кремния, при давлениях 300 0 0 0 атм. и выше

32

переходит в жидкое состояние при относительно невысоких температурах (уже при 1000°С).

В связи с этим сейчас существует представление о том, что ядро Земли в основном состоит из жидкого железа с существенной примесью никеля и кремния. Такой же состав имеет, вероятно, и внутреннее ядро, но оно находится в твердом состоянии.3

3. Заказ 1754

Раздел II. ОСНОВЫ МИНЕРАЛОГИИ И ПЕТРОГРАФИИ

Г л а в а III. ОСНОВЫ УЧЕНИЯ О МИНЕРАЛАХ

§I. ПОНЯТИЕ О МИНЕРАЛЕ И ЗНАЧЕНИЕ МИНЕРАЛОГИИ

ВРАЗВИТИИ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

Минералы — это природные химические соединения, или самородные элементы, возникающие в результате разнооб­ разных физико-химических процессов, протекающих в земной коре и на ее поверхности. Изучением минералов зани­ мается отрасль геологии минералогия. Это — наука о мине­ ралах, составляющих горные породы и руды, их составе, фи­ зических свойствах и процессах образования.

Из общего числа более чем 2500 минералов, известных в настоящее время в природе, очень немногие имеют массовое

Т а б л и ц а 2 Минеральный состав земной коры (по А. Е. Ферсману)

Таким образом, к числу главнейших породообразующих минералов относятся полевые шпаты, пироксены, амфиболы, кварц и некоторые другие.

34

По происхождению среди породообразующих минералов различают первичные и вторичные. Все первичные минералы образовались одновременно с образованием породы и сохра­ нились в ней почти в неизмененном состоянии. Это такие минералы, как оливин, полевые шпаты, авгит, роговая об­ манка, кварц и другие. К вторичным относятся минералы, об­ разовавшиеся позже и часто за счет первичных. Своим по­ явлением они обязаны процессам, которые имели место после образования породы. Главнейшими вторичными поро­ дообразующими минералами являются группа глинистых ми­ нералов, лимонит, кальцит, доломит, гипс и другие.

Минералы являются составной частью всех горных пород, рудных и нерудных полезных ископаемых. Одни из них служат сырьем для извлечения различных металлов, другие же являются прекрасным строительным материалом и т. д. Поэтому значение минералов и минералогии в развитии промышленности чрезвычайно велико.

Не менее важную роль минералы играют в развитии сельского хозяйства. Например, известно, что вторичные ми­ нералы образуют главную массу почвообразующих пород и твердой фазы почвы и поэтому оказывают влияние на ряй ее физико-химических свойств, в том числе и на плодородие. При этом, чем богаче по своему химическому составу почво­ образующие минералы, тем лучше по своим качествам сфор­ мировавшаяся на них почва. Кроме того, минералы входят в состав всех агрономических руд, применяемых в качестве минеральных удобрений для повышения плодородия почв и урожайности полей.

§ 2. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ И АМОРФНОЕ СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

В природе твердые минералы встречаются либо в виде кристаллов с более или менее хорошо выраженной формой многогранников, либо в виде неправильных по форме зерен' или сплошных масс, характеризующихся как кристалличе­ ским, так и аморфным строением. Большинство минералов/

Изучением кристаллического строения минералов зани­ мается наука кристаллография, представляющая собою уче­ ние о кристаллах, их внешней форме и внутренней структуре і Все минералы, имеющие кристаллическое строение ха-= рактеризуются упорядоченным расположением слагающих'

их мельчайших частиц: атомов, ионов и молекул. Распола­ гаясь упорядоченно, т. е. закономерно, последние образуют так называемую кристаллическую решетку. В качестве при­ мера можно привести кристаллическую решетку каменной соли (рис. 3), графита и алмаза (рис. 4). В аморфном ве­ ществе те же частицы располагаются беспорядочно и какойлибо закономерности в их размещении не наблюдается.

Основы учения о строении кристаллов были разработаны в конце XIX в. русским ученым Е. С. Федоровым, который установил 230 видов пространственного расположения час­ тиц в кристаллах. В настоящее время кристаллическую структуру изучают путем просвечивания минералов рент­ геновскими лучами. Выводы Федорова были подтверждены рентгено-структурным анализом.

Различие во внутреннем строении кристаллических и аморфных тел обусловливает различие их свойств. Так, на­ пример, для кристаллического состояния вещества характер­ на так называемая анизотропность. Она заключается в том, что свойства кристаллических тел остаются неизменными в

36

любых параллельных направлениях и могут изменяться лишь

внепараллельных.

Уаморфных тел какой-либо закономерности в распреде­ лении свойств не существует. Аморфные тела характеризу­ ются одинаковыми физическими свойствами во всех направ­ лениях. Тела, свойства которых не меняются в зависимости от направления, называются изотропными.

Благодаря закономерному расположению атомов в ми­ нералах с кристаллическим строением, многие минералы образуют хорошо выраженные правильные природные мно­ гогранники. Различные их комбинации дают кристаллы. В таких кристаллах, как и в любых многогранниках, различа­ ют: грани, ребра, вершины и углы. Грани — это плоскости, ограничивающие кристалл, ребра — линии пересечения гра­ ней, а точки пересечения ребер называются вершинами. Две пересекающиеся плоскости образуют двухгранный угол.

Одним из важнейших положений кристаллографии явля­ ется закон постоянства гранных углов. Сущность этого за­ кона заключается в том, что, углы между соответствующими гранями одного и того же минерала одинаковы и постоянны. По величине гранных углов представляется возможным оп­ ределить любой минерал, так как каждый минерал характе­ ризуется вполне определенными гранными углами.

Элементы симметрии кристаллов

Симметричность кристалла выражается в правильном повторении элементов его ограничения — граней, ребер и вершин.

Различают следующие элементы симметрии кристаллов: центр (С), оси (L) и плоскости (Р) симметрии.

Центр симметрии (С) — это воображаемая точка внутри кристалла, в которой пересекаются и делятся пополам все диагонали. .

Осью симметрии (L) называется воображаемая прямая линия, при повороте вокруг которой на определенный* угол все элементы ограничения кристалла совмещаются с их "пер­ воначальным положением. В зависимости от количества та­ ких совмещений при полном повороте кристалла на 360° раз­ личают оси 2 -го, 3-го, 4-го и 6 -го порядков. Например, если при повороте кристалла на 360° его элементы ограничения совмещаются с их исходным положением дважды, то мы го­ ворим, что данный кристалл имеет ось симметрии 2 -го по­

37

плоскость, которая делит кристалл на две равные и проти­ воположно расположенные части, из которых каждая явля­

симметрии от других взаимные их сочетания весьма огра­ ничены. Русский ученый А. В. Гадолин в 1869 г. показал, что у кристаллов возможны 32 различные комбинации элементов симметрии, называемые классами. По степени сложности все классы симметрии группируются условно в семь кристал­ лографических сингоний.

Различают следующие сингонии: триклинную, моноклин­ ную, ромбическую, тригональную, гексагональную, тетраго­ нальную (квадратную) и кубическую (рис. 5).

10, 11 и 12—кристаллы тригональной сингонии; 13 и 14—кристаллы ‘ ромбической, 15, 16 — моноклинной, 17 и 18— триклинной сингонии.

'38

Каждая сингония характеризуется определенным количе­ ством осей и плоскостей симметрии, наличием или отсутст­ вием центра симметрии. При этом в пределах одной и той же кристаллографической сингонии могут встречаться кри­ сталлы с различным количеством плоскостей и осей симмет­ рии, не превышая, однако, определенного максимума эле­ ментов симметрии (табл. 3).

Пирит

Гранат

Некоторые минералы в природе встречаются в виде срос­ шихся кристаллов и образуют так называемые двойники тройники и т. д. Двойники возникают в результате законо­ мерного срастания или в результате взаимного прорастания кристаллов. Однако с двойниками не следует смешивать не­

39