ГЕОЛОГИЯ лекции

21

Мантия подразделяется на верхнюю (до глубины около 1000 км) и ниж- нюю (от 1000 до 2900 км). В пределах верхней мантии на глубинах от 45140 км до 300-400 км выделяется зона, сложенная веществом наиболее пластичным, находящимся в частично расплавленном состоянии - астеносфера. Самая верхняя часть мантии вместе с земной корой образуют, в противоположность пластичной астеносфере, жесткую оболочку - литосферу. Таким образом, понятия "литосфера" и "земная кора" в геологическом смысле – не одно и то же, хотя в географических науках эти термины обычно рассматриваются как синонимы (в географии, не рассматривающей глубинные процессы, различия между данными понятиями, действительно можно считать в принципе несущественными).

Часть верхней мантии, залегающей ниже подошвы астеносферы (слой Голицына), иногда выделяют под названием «средняя мантия». На границе между мантией и ядром, на глубинах 2700-2900 км, выделяется переходная зона. Относительно размеров как мантии, так и ядра, она сравнительно узкая. Но при этом её мощность превосходит мощность всей литосферы Земли! Этот слой, вероятно, играет большую роль в развитии нашей планеты. Видимо, именно в его пределах протекают какие-то процессы взаимодействия между веществом мантии и веществом земного ядра. Многие специалисты полагают, что именно они являются источником внутренней энергии нашей планеты.

3.Внешнее ядро распространяется до глубин около 5000 км (здесь так-

же выделяется переходная зона, в интервале 4980-5120 км). Плотность в пределах внешнего ядра изменяется вниз по разрезу от 11,5 до 15 г/см3. Температура в пределах внешнего ядра возрастает приблизительно с 4000 до 5000ºС. Давление – от 1300 до 3300 млрд. Па. Помимо повышенной плотности, вещество внешнего ядра имеет ещё одно очень важное отличие от вещества мантии: оно не пропускает поперечные волны. И, следовательно, имеет свойства жидкости. Именно во внешнем ядре, согласно модели «динамо», функционируют вихревые токи, ответственные за наличие у Земли магнитного поля.

4.Внутреннее ядро, в отличие от внешнего – снова твёрдое. Эта оболочка выделяется на глубинах от 5120 км до центра Земли (расстояние от

поверхности около 6370 км). Плотность вещества внутреннего ядра изменяется в пределах 17,3-17,9 г/см3. Температура в самом центре Земли может достигать, по современным оценкам, 6000ºС, давление более 3600 млрд. Па.

В е щ е с т в е н н ы й с о с т а в г л у б и н н ы х г е о с ф е р .

При реконструкциях вещественного состава наиболее убедительно обоснованы модели, согласно которым земная кора и мантия имеют преимущественно силикатный состав, то есть ведущая роль в нём принадлежит минеральным соединениям на основе кремния и кислорода. Вещественные различия между земной корой и мантией в наибольшей мере проявлены в изменении относительной роли второстепенных химических компонентов. В составе земной коры третье место по значимости занимает алюминий, а в ман-

22

тии – магний. Химический состав земного ядра существенно отличен от ко- рово-мантийного: в нём ведущую роль играет железо. Частью, вероятно, в металлическом виде, частью – в соединениях с другими элементами (по мнению одних авторов – в виде сернистых соединений, по мнению других - кислородных). Такое разделение вполне соответствует тенденции внутрипланетной дифференциации вещества, основанной на изучении метеоритов (среди которых также имеются каменные, то есть силикатные, и железные).

Таким образом, можно сделать вывод, что природа расслоенности внутренних частей нашей планеты на оболочки, различна. В одних случаях оболочки различаются между собой по химическому составу, в других – по агрегатному состоянию вещества. Ведущая причина дифференциации по химическому составу – сила тяжести. В ядре Земли преимущественно сконцентрированы более тяжёлые химические элементы (в первую очередь железо), в окружающих его оболочках – более лёгкие (кислород и кремний). Астеносфера внутри мантии, а также внешнее ядро от внутреннего обособляются изза различий в агрегатном состоянии: это оболочки, расплавленные либо частично (астеносфера), либо полностью (внешнее ядро).

В н е ш н и е о б о л о ч к и З е м л и .

Внешними оболочками нашей планеты являются атмосфера и гидросфера. От земной коры, с которой они соприкасаются, они отличаются как по химическому составу, так и по агрегатному состоянию. Атмосфера – газовая оболочка, гидросфера – водная. Подробное изучение этих оболочек является предметом географических наук, а науками геологическими они рассматриваются в основном в той мере, в которой взаимодействуют с земной корой.

С и с т е м н ы е о б о л о ч к и в с т р у к т у р е З е м л и .

В связи с тем, что три названные геосферы (атмосфера, гидросфера и земная кора) находятся в непрерывном и сложном взаимодействии, в структуре нашей планеты выделяются оболочки особой категории – системные. Принцип их выделения совсем иной, чем при выделении геосфер. Это - динамические системы, в рамках которых осуществляется взаимодействие смежных геосфер. К их числу относятся биосфера и географическая оболочка.

Географическая оболочка охватывает всю поверхность Земли и выделяется как вся область взаимодействия между атмосферой, гидросферой и земной корой. В её рамках происходит постоянный обмен веществом и энергией между тремя названными геосферами. Уникальность географической оболочки нашей планеты (в сравнении со всеми остальными планетами Земной группы) в том, что только на Земле существует гидросфера и, следовательно, взаимодействуют сразу три оболочки, находящиеся в разном агрегатном состоянии. А это многократно усложняет и ускоряет ход природных процессов. В результате географическая оболочка Земли занимает особое положение как наиболее сложно устроенная и наиболее изменчивая оболочка планеты.

23

Биосфера может быть определена как часть географической оболочки, вещество которой постоянно вовлечено в процессы жизнедеятельности населяющих её живых организмов. В её состав входит не только вся совокупность самих живых организмов, но также практически весь объём гидросферы, верхняя часть литосферы и нижние слои атмосферы Земли. Это – не просто зона, в которой развита жизнь. Это – сложно организованная система, все компоненты которой связываются друг с другом процессами жизнедеятельности организмов, что многократно усложняет её структуру даже в сравнении с исходным состоянием географической оболочки. Биосфера возникает в рамках географической оболочки с появлением жизни и, в конечном счёте, преобразует её целиком, переводит в качественно новое состояние. При этом влияние биосферы распространяется далеко за её собственные рамки. Деятельность живых организмов целиком изменила на нашей планете весь состав атмосферы, и даже оказывает опосредованное влияние на формирование состава и структуры глубоких горизонтов земной коры. Поэтому выделение биосферы как системной оболочки имеет большое значение не только в географических, но и в геологических науках.

24

Тема 1.3. ЗЕМНАЯ КОРА, ЕЕ СОСТАВ И СТРОЕНИЕ

Химический состав земной коры

Очередная тема нашего курса – вещественный состав земной коры. Из всех геосфер, изучение которых является предметом геологии, первостепенное внимание уделяется именно земной коре, как объекту, непосредственно доступному для наблюдения. И один из основных аспектов изучения земной коры – исследование её вещественного состава. Вещество, слегающее эту оболочку, весьма разнообразно. Но всё оно, в конечном счёте, построено из ограниченного набора «кирпичиков» – химических элементов. Поэтому знакомство с веществом земной коры целесообразно начать с рассмотрения её химического состава. Изучение химизма химического состава земной коры и других геосфер, закономерностей распределения в них химических элементов и их миграции (перемещения) в природе является предметом одной из важнейших геологических наук – геохимии.

Распространённость химических элементов в земной коре.

Количественное содержание различных химических элементов в природе в целом весьма неодинаково. Средние содержания одних химических элементов в природных средах могут измеряться процентами и даже десятками процентов, других – долями процента, даже очень малыми (миллионными и меньше). Элементы, средние содержания которых в конкретной природной среде составляют не менее десятых долей процента, называют макроэлементами. Их всегда немного. Остальные – это микроэлементы. Распределение микроэлементов, несмотря на их низкие содержания, также необходимо учитывать, поскольку они нередко оказывают существенное влияние на ход природных процессов.

В составе земной коры роль макроэлементов играют следующие:

O (47%), Si (29,5%), Al (8,05%), Fe (4,65%), Ca (2,96%), Na (2,50%), K (2,50%), Mg (1.87%), Ti (0,45%). В сумме – 99, 48%. Таким образом, на долю всех остальных химических элементов, вместе взятых, приходится чуть более половины процента. Наглядно видна ведущая роль двух элементов – кислорода и кремния, отмеченная в предыдущей лекции.

Из-за явной ведущей роли кислорода в земной коре известный норвежский геохимик В.М. Гольдшмидт назвал эту оболочку о к с и с ф е р о й .

Для сравнения отметим, что в других внешних оболочках нашей планеты число ведущих химических элементов в целом более ограничено, и набор их иной. В гидросфере макроэлементами являются только кислород и водород (так как лишь из них состоит основное вещество этой оболочки – вода). В атмосфере – азот и кислород. Существенной спецификой отличается и средний химический состав живых организмов («живое вещество» по В.И. Вернадскому). Здесь роль макроэлементов играют кислород, углерод и водород – основные компоненты органических углеводородных соединений.

25

Минералы и горные породы

Минералы.

Формы нахождения химических элементов в земной коре разнообразны. Но основу её объёма слагают химические соединения в виде минералов.

Минерал определяется как химически и физически обособленный в пространстве неорганический продукт природной физико-химической реакции, находящийся в кристаллическом состоянии (по А.А. Годовикову). Отличие кристаллического вещества от некристаллического (аморфного) заключается в строгой упорядоченности расположения слагающих его атомов. Если мысленно представить каждый атом или ион кристаллического вещества в виде точки и соединить их условными линиями, то получим бесконечную геометрически правильную кристаллическую решетку (свою для каждого минерала). При этом точки соответствуют узлам этой решетки, а линии будут отражать химические связи между атомами или ионами.

Твёрдые природные вещества, не имеющие кристаллической структуры (аморфные) относятся к особой категории минералоидов. Относительная роль минералоидов в земной коре в целом весьма незначительна.

Принадлежность минерала к конкретному минеральному виду и все его свойства определяются двумя параметрами: его химическим составом и строением кристаллической решётки. Если мы возьмём два минеральных вещества, имеющих одинаковый состав, но различную кристаллическую структуру, это будут два разных минерала. Наиболее ярким примером являются графит и алмаз, оба представляющие собой модификации одного и того же химического элемента – углерода, но с различным строением кристаллической решётки. В результате свойства этих двух минералов не просто весьма различны, но во многих отношениях контрастны. В частности, графит относится к числу самых мягких минералов, а алмаз является самым твёрдым.

Способность одних и тех же атомов формировать различную по структуре кристаллическую решётку называется полиморфизмом (от греческих корней «поли» – много и «морфос» – форма). Минеральные виды, имеющие один и тот же химический состав, но различное кристаллическое строение, называются полиморфными модификациями.

Широко распространён и противоположный вариант – когда аналогичные места кристаллической решётке с одними и теми же параметрами могут занимать атомы различных химических элементов. Такая возможность имеется в тех случаях, когда сходны и химические свойства атомов, и их размеры. Это явление получило название изоморфизма (от греческого корня «изо»

– одинаковый). Изоморфизм в мире минералов может быть совершенным, когда атомы двух или более видов могут заменять друг друга в неограниченных соотношениях. В этом случае в природе возможны постепенные переходы между различными минеральными видами, которые называются изоморфными рядами. Такие ряды характерны, в частности, для минералов, являющихся солями угольной кислоты (карбонатами). Возможен, например,

26

полный переход от чисто кальциевого карбоната CaCO3 (кальцита) к чисто магниевому MgCO3 (магнезиту) через все промежуточные варианты с различными соотношениями кальция и магния в составе. Другим вариантом является несовершенный изоморфизм, когда какой-либо элемент в ограниченном количестве может замещать в кристаллической решётке другой в качест-

ве изоморфной примеси.

Наличие у минералов упорядоченной кристаллической структуры обуславливает возможность формирования ими естественным путём индивидов правильной геометрической формы – кристаллов. При этом внешняя форма кристаллов определяется внутренним строением кристаллической решётки, которая у каждого минерала индивидуальна – кубы, тетраэдры, октаэдры, призмы и т.д. Поэтому форма кристаллов, наряду с другими свойствами минерала, является его характерным признаком, позволяющим диагностировать минеральный вид. Но иногда возможны случаи, когда минерал «маскируется», приобретая не свойственную ему форму. Это возможно в тех случаях, когда в природном процессе один минерал избирательно заместил другой, унаследовав внешнюю форму его кристалла. Такие образования называются псевдоморфозами («имеющими ложную форму»).

Минеральные агрегаты.

В природных условиях большинство минералов редко встречается в виде хорошо образованных кристаллов, гораздо чаще часто наблюдается незакономерное срастание нескольких кристаллов друг с другом. Такие срастания называются минеральными агрегатами.

Среди минеральных агрегатов резко преобладают зернистые агрегаты, в которых тесно срослось множество кристаллов. Так как кристаллы в таких агрегатах растут одновременно и стесняют друг друга в росте, они обычно лишь с некоторых сторон имеют правильную огранку или лишены её вообще. По размеру выделений минералов различают крупно-, средне- и мелкозернистые агрегаты, а по форме зерен – волокнистые, игольчатые, пластинчатые, чешуйчатые, сахаровидные и т.д.

Среди прочих минеральных агрегатов наиболее распространены:

Друзы – незакономерные сростки кристаллов, прикрепленных одним концом к общему основанию, благодаря чему у них хорошо огранены только свободные концы.

Щетки – также сростки шестоватых кристаллов прикрепленных к общему основанию, но ориентированных параллельно друг другу, в результате чего видны только головки кристаллов.

Сферолиты и сноповидные агрегаты – представляют собой сфериче-

ские, полусферические или сноповидные агрегаты различного размера, образованные тонкими, радиально расходящимися от центра волокнами.

Конкреции получаются, если минеральное вещество осаждается из раствора на какие-то твердые частицы, например, песчинки или обломки раковин, покрывая их как бы концентрическими скорлупками, налегающими одна на другую.

27

Секреции - округлые шаровидные или сплюснутые минеральные скопления, образующиеся в пористых породах в результате последовательного отложения минерального вещества от периферии к центру.

Жеоды представляют полости в горной породе, частично заполненные минеральным веществом. При этом отложение минерального вещества происходит на стенках полости, а в середине остается свободное пространство, где могут образоваться хорошо ограненные кристаллы. Если разбить крупную жеоду с кристаллами внутри на несколько частей, можно получить красивые друзы или щетки.

Дендриты получаются при очень быстрой кристаллизации минералов (скелетный рост только вершин и ребер), а также при кристаллизации в тонких трещинах, когда отдельные кристаллы сложно ветвятся, напоминая ветви дерева (вспомните причудливые узоры дендритов льда на окнах в мороз), или образуя «растительный» рисунок нежных черных «веточек» пиролюзита как бы нарисованных на стенках трещин в горных породах (рис. 14).

Натечные образования возникают в результате отложения минерального вещества на поверхности других агрегатов из водных растворов при их постепенном испарении. К их числу относятся почковидные агрегаты (внешне напоминающие почки животных), сталактиты и сталагмиты и т.д.

Многие минералы встречаются в природе также в виде тонких корочек, пленок и примазок на поверхности других минералов или горных пород.

Физические свойства минералов.

Индивидуальность минерала определяется, как было сказано, его химическим составом и строением кристаллической решётки. А проявляется она в разнообразных свойствах минерала, из которых важнейшими для диагностики являются свойства физические.

Физическими свойствами минералов называются те, которые проявляются в их физических взаимодействиях с различными объектами. Именно физические свойства являются важнейшими диагностическими признаками минералов и положены в основу их практического определения. Некоторые из них можно определить лишь в лабораторных условиях. Но есть такие физические свойства, которые легко определяемы невооруженным глазом или при помощи несложного оборудования. Умение правильно их определять является ключом к практическому определению большинства наиболее распространенных в природе минералов. К ним относятся:

Прозрачность - способность минерала пропускать свет. В зависимости от степени прозрачности все минералы делятся на 3 группы (при этом следует иметь в виду, что границы между ними условные):

1.Прозрачные (сквозь минерал можно легко видеть различные предметы) – горный хрусталь, исландский шпат, топаз и др.

2.Полупрозрачные (сквозь минерал виден свет, но контуры предметов уже не различимы) – сфалерит, киноварь и др.

3.Непрозрачные – пирит, магнетит, графит и др.

28

Цвет. Наиболее легко определяемый визуально признак. Не случайно у впервые приступивших к определению минералов студентов наблюдается стремление пользоваться при определении минерала только его окраской, как наиболее простым признаком. Но такой подход является неправильным, так как один и тот же минерал нередко может иметь различную окраску в зависимости от примесей или дефектов строения его кристаллической решетки. Например, флюорит может быть окрашен в зеленый, фиолетовый, бурый, желтый цвета различных оттенков, а изредка бывает бесцветным. Турмалин бывает зеленым, розовым, бурым, синим, черным. Окраска некоторых минералов может быть неоднородной даже в одном кристалле. Поэтому цветом минералов, как диагностическим признаком, следует пользоваться с осторожностью.

В зависимости от происхождения можно выделить несколько типов окраски минералов:

-идиохроматический (от греческого идиос – собственный) – минерал имеет отчетливо выраженный собственный цвет;

-аллохроматический (от греческого аллос - чужой) – минерал окрашен примесями;

-псевдохроматический – «ложная окраска». Иногда тонкий поверхностный слой минерала имеет дополнительную окраску. Это явление называется побежалостью. Появление побежалости связано с образованием очень тонких пленок других минералов на поверхности, в связи с чем наблюдаются явления интерференции падающего и отраженного света. Кроме того, в некоторых прозрачных и полупрозрачных минералах (например, в плагиоклазах) иногда наблюдается «игра цветов», получившая название иризация, которая обусловлена интерференцией падающего цвета в связи с отражением его от внутренних поверхностей трещин внутри минерала. В некоторых минералах при повороте наблюдаются идущие из глубины кристаллов «вспышки» желтого, красного или голубого света - опалесценция (благородный опал).

Таким образом, окраска является важным диагностическим признаком только для тех минералов, окраска которых не зависит от примесей (то есть обладающих идиохроматическим типом окраски).

Цвет черты (цвет минерала в порошке). Более постоянный и надеж-

ный по сравнению с окраской самого минерала диагностический признак. Цвет черты в ряде случаев полностью совпадает с цветом минерала в образце. Но очень многие минералы в мелкораздробленном состоянии имеют цвет, значительно отличающийся от его цвета в образце. Так, у гематита цвет стально-серый или черный, а черта красная,

Для определения цвета минерала в порошке достаточно с легким нажимом провести минералом по поверхности специальной пластинки из неглазированного фарфора. Следует иметь в виду, что большинство светлоокрашенных и прозрачных минералов имеет белую черту, а минералы с высокой твердостью вместо черты оставляют царапину на фарфоровой пластинке. Поэтому говорить, к примеру, о цвете черты алмаза бессмысленно.

29

Блеск. Большинство минералов с различной интенсивностью отражают падающий на них свет, то есть обладают блеском. Характер блеска зависит от того, насколько сильно поверхность минерала отражает падающий свет, каково соотношение отражения, поглощения и пропускания света минералом, как отражаемый свет рассеивается. Различают следующие виды блеска:

Металлический – напоминает блеск полированного металла (сталь, серебро, золото).

Полуметаллический – подобен металлическому, но более тусклый (как у потускневших от времени металлов или как у грифеля простого карандаша).

Алмазный – сильный блеск, обусловленный неоднократным отражением света от внутренних поверхностей прозрачных и полупрозрачных минералов (алмаз, сера, сфалерит, киноварь)

Стеклянный – поверхность минерала блестит как стекло (но значительно слабее, чем у минералов с алмазным блеском). Стеклянным блеском обладает большинство (около 70%) прозрачных и полупрозрачных минералов.

Перламутровый – минерал блестит и переливается как поверхность перламутра или жемчуга. Наблюдается у прозрачных и просвечивающих минералов, имеющих тонкое пластинчатое строение. Свет одновременно отражается от множества поверхностей внутри минерала, в результате чего возникают перламутровые «переливы».

Шелковистый – обусловлен волокнистым строением минерала, поэтому минерал блестит и переливается, как шелк или моток шелковых нитей.

Жирный – поверхность минерала кажется смазанной жиром или покрытой маслянистой пленкой. Возникает тогда, когда поверхности минерала покрыта мельчайшими неровностями.

Смоляной – блеск, напоминающий блеск застывшей смолы или гудрона. Аналог жирного блеска для минералов с темной окраской.

Восковой – полуматовый блеск, напоминающий блеск пчелиного воска, характерный для минералов, равномерно рассеивающих свет (халцедон, серпентин).

Наконец, если минерал представлен тонкодисперсными, землистыми массами, то он не блестит, т.е. является матовым. Это происходит потому, что весь свет при отражении рассеивается совершенно равномерно.

Твердость – устойчивость минерала к царапанию. Является одним из главных и надежных диагностических признаков минералов. По твердости все минералы условно разделяются на 10 групп, в соответствии с предложенной австрийским минералогом Фридрихом Моосом шкалой твердости. Набор условных эталонов твердости, состоящий из 10 минералов, в его честь получил название шкала Мооса. Минералы в ней подобраны таким образом, что каждый последующий минерал в ней оставляет царапину на предыдущем. Причем получается углубленная царапина, не исчезающая при легком стирании пальцем. Относительная твёрдость выражается условными единицами твёрдости от 1 до 10, соответствующими номеру эталонного минерала шкалы Мооса (от самого мягкого до самого твёрдого).

30

Шкала Мооса:

Тальк

.

Гипс

.

Кальцит

.

Флюорит

.

Апатит

.

Ортоклаз

.

Кварц

.

Топаз

.

Корунд

.

Алмаз

0.

Минерал-эталон, который оставляет на другом царапину, считается более твёрдым. Если минерал оставляет на другом минерале черту (пишет), то он является более мягким.

Спайность и излом. Спайностью называется способность кристаллов раскалываться (расщепляться) по определенным кристаллографическим направлениям параллельным действительно наблюдаемым или возможным граням кристалла, с образованием ровных блестящих плоскостей скола. В зависимости от того, насколько легко раскалываются минералы различают следующие степени совершенства спайности (в порядке убывания):

Весьма совершенная – спайность в одном направлении, когда минерал очень легко (иногда даже руками) разделяется на все более тонкие пластинки или листочки.

Совершенная – при любом ударе молотком по минералу он рассыпается на обломки, ограниченные ровными спайными плоскостями (кубики, ромбоэдры, октаэдры и т.д.).

Средняя – при раскалывании минерала с одинаковой частотой образуются как ровные спайные поверхности, так и неправильные поверхности излома по случайным направлениям.

Несовершенная и весьма несовершенная – при раскалывании минерала подавляющая часть обломков ограничена неправильными неровными поверхностями излома.