24. Оболочки Земли, распространенность элементов в земной коре, гипотезы о химическом и фазовом составе мантии и ядра.

Вернадский говорил:

"В каждой капле и пылинке вещества на земной поверхности, по мере увеличения тонкости

наших исследований, мы открываем все новые и новые элементы. Получается впечатление

микрокосмического характера их рассеяния. В песчинке или капле, как в микрокосме,

отражается общий состав космоса. В ней могут быть найдены все те элементы, какие

наблюдаются на земном шаре, в небесных пространствах. Вопрос связан лишь с

улучшением и утончением методов исследования. При их улучшении мы находим

натрий, литий, стронций там, где их раньше не видели; при их уточнении мы открываем их в

меньших пробах, чем делали раньше".

В 80-е гг. XIX в. проблемами определения среднего состава земной коры много занимался Ф.У. Кларк –руководитель химической лаборатории американского геологического комитета в Вашингтоне. Отобрав 880 наиболее точных анализов горных пород, он в 1889 г. определил среднее содержание 10 химических элементов в твердой земной коре. Кларк получил следующие результаты (%):

Кислород 46,28 Магний 2,77

Кремний 28,02 Калий 2,47

Алюминий 8,14 Натрий 2,43

Железо 5,58 Титан 0,33

Кальций 3,27 Фосфор 0,10

Кларк трактовал геохимию как совокупность сведений о химическом составе земной коры. Продолжая исследования, он увеличивал точность определений, количество анализов и число элементов. В сводке среднего содержания элементов в земной коре, опубликованной в 1924 г., были приведены данные уже о 50 элементах. Учитывая заслуги Кларка в развитии геохимии и исследованиях распространенности элементов, Ферсман в 1923 г. предложил обозначить среднее содержание химического элемента в земной коре, на Земле в целом, а также на планетах и в космосе термином "кларк". По предложению Вернадского в таблицах кларков приводятся значения массовых (весовых) и атомных кларков. Смысл введения атомных кларков состоит в следующем. Пусть имеется геологическая система, состоящая из водорода и фтора, и на один атом водорода приходится один атом фтора. Если определить атомные кларки, то они будут одинаковы для обоих элементов. Но, если определить вклад водорода и фтора в массу системы, то окажется, что в соответствии с величинами атомных масс водорода и фтора от общей суммы 1H + 19F = 20HF водород составит только 5%, а фтор – 95%. Таким образом массовые и атомные кларки могут значительно различаться. Для перевода массовых кларков в атомные надо значение массового кларка каждого элемента разделить на атомную массу и сумму этих величин считать за 100%. Тогда доля в этой сумме величины содержания каждого элемента будет соответствовать его атомному кларку. Со дня опубликования первой таблицы Кларка прошло более 100 лет. За это время была проделана гигантская работа, и общая картина распространенности элементов в земной коре выявилась достаточно отчетливо. Прежде всего 332 подтвердилось гениальное предположение Вернадского о рассеянном состоянии всех химических элементов. Для иода, гафния, скандия, рубидия, индия, цезия, радия и некоторых других редких элементов рассеянное состояние является основным, так как они не образуют или почти не образуют собственных минералов. Только для кислорода, кремния, алюминия, железа, натрия, калия, магния главная форма нахождения – собственные минералы. Положение о всеобщем рассеянии химических элементов советский геохимик Н.И. Сафронов предложил именовать законом Кларка-Вернадского. Современные методы анализа и приборы позволили уточнить содержание элементов в земной коре (табл. 1.3).

Как видно из таблицы, половина земной коры состоит из кислорода. Таким образом, земная кора – это "кислородная сфера". На втором месте стоит кремний (кларк 29,5), на третьем – алюминий (8,05). Если к ним добавить железо (4,65), кальций (2,96), калий (2,50), натрий (2,50), магний (1,87), титан (0,45), то получится 99,48%, т. е. практически вся земная кора.

На остальные 80 элементов приходится менее 1%.

Элементы, содержание которых не превышает 0,01-0,0001%, называют редкими. Если редкие элементы не образуют собственных минералов, то их называют "редкими рассеянными" (Br, In, Ra, U, Re, Hf, Se и др.).

Так, у урана и брома кларки почти одинаковы (2,5.10-4 и 2,1.10-4), но уран – редкий элемент, т. к. известно 104 урановых минерала и урановые месторождения, а бром – рассеянный (имеет лишь один минерал).

В геохимии есть еще понятие "микроэлементы", которое означает элементы, содержащиеся в малых количествах (>0,01%) в данной системе. Так, алюминий – микроэлемент в живом организме и макроэлемент в силикатных породах. Таким образом, распространенность элементов в земной коре связана преимущественно со строением атомного ядра. В земной коре преобладают ядра с небольшим и четным числом протонов и нейтронов. Причина этого лежит в звездной стадии существования земной материи. Свыше 4,5 млрд лет назад вещество нашей планеты было нагрето до десятков миллионов градусов. При таких температурах ни атомы, ни молекулы существовать не могут, и вещество представляло собой раскаленную плазму со свободными электронами и ядрами. В плазме протекали ядерные реакции – из протонов и нейтронов образовывались ядра химических элементов. Вероятнее всего образование наиболее устойчивых ядер, а такими являются ядра, содержащие небольшое и четное количество протонов и нейтронов. Ядра же, переполненные протонами и нейтронами, неустойчивы и распадаются. Таковы уран, торий, радий и другие радиоактивные элементы, распадающиеся с образованием свинца и гелия. Но и среди легких элементов не все обладают высокими кларками. Например, бериллий имеет порядковый номер 4, а его кларк 3,8.10-4%. Еще меньше кларк гелия, хотя в космосе он занимает второе место по распространенности (после водорода). Мало лития (3,2.10- 3%), бора (1,2.10-3%), углерода (2,3.10-2%). Это объясняется тем, что названные атомы в центральных частях звезд являются ядерным горючим и уничтожаются в ходе ядерных реакций.

25. Процессы плавления и кристаллизации в земной коре и мантии.

Отличие состава земной коры и мантии — следствие их происхождения: исходно однородная Земля в результате частичного плавления разделилась на легкоплавкую и лёгкую часть — кору и плотную и тугоплавкую мантию. Распределение химических элементов между веществом мантии и земной коры свидетельствует о накоплении в земной коре «легкоплавких» элементов. Геологический процесс, в котором реализуется принцип выплавления - мантийный магматизм.

Горная порода подвергается плавлению при 1) увеличении температуры, 2) снижении давления, 3) добавлении летучих (флюидов)

Магма застывает при 1) уменьшении температуры, 2) увеличении давления, 3) удалении летучих(флюидов)

Расплавленное вещество горных пород называется магмой. С физико-химической точки зрения магму следует рассматривать как многокомпонентную систему, состоящую из жидкой фазы или расплава и некоторого количества твердых фаз в виде взвешенных кристаллов оливина, пироксена, плагиоклаза и т.д. Иногда в ней может присутствовать также газовая фаза. Жидкая фаза представляет собой взаимный раствор всех компонентов. Силикаты являются наиболее важными компонентами магматических пород, а химически эквивалентное им вещество составляет большую часть жидкой фазы в магме. Физическое состояние этих силикатов в расплаве достоверно не известно. Прочно связанные анионные группы [SiO4], подобные структурным элементам силикатных минералов, вероятно, встречаются и в расплавленной магме совместно со свободными катионами Fe2+, Mg2+, Ca2+ и Na+. Эти структурные группы (кластеры) в жидкой фазе можно рассматривать как группы кремнекислородных и алюмокремнекислородных тетраэдров, связанных в сложные группы. Состав их приближается к составу анионных радикалов различных подклассов силикатов ([SiO4], [Si2O6], [AlSi3O8]). Степень комплексности этих групп зависит от температуры и от состава магмы, так как добавка небольшого количества (ОН) или F вызывает распад крупных ионных групп, уменьшая тем самым вязкость расплава.

В магматических процессах главную роль в перераспределении химических элементов играет разделение твердой и жидкой фаз, т. е. механизм кристаллизационной дифференциации; разделение сосуществующих жидких фаз в пространстве магматических камер имеет резко ограниченное значение, поскольку в области реальных составов магматических пород явления ликвации установлено только для силикатно-сульфидных расплавов; разделение расплава и газовой фазы не может иметь практического значения для магматической эволюции из-за малого количества, малой плотности и малой растворимости соединений породообразующих элементов в магматических флюидах. Магматизм является основным процессом перераспределения и дифференциации земного вещества в эндогенных условиях.

ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИОННАЯ — обусловленная перемещением и пространственным обособлением возникающих в процессе кристаллизации минер. фаз под влиянием разл. причин (напр., гравитационное осаждение выделившихся из расплава кристаллов, перемещение их конвекционными токами и др.), что приводит к изменению нормального течения реакции к-лов с расплавом, т. е. фракционной кристаллизации магмы.  Д. к. является основным механизмом дифференциации магм. расплавов. Особенно широко она проявляется при формировании расслоенных интрузий основных и ультраосновных п., образовавшихся в результате последовательного осаждения продуктов кристаллизации на постепенно поднимающееся дно магм. камеры.

РЯД (СЕРИЯ) РЕАКЦИОННЫЙ — эмпирически установленная Боуэном последовательность кристаллизации м-лов из магмы в виде 2 Р. р.: а) прерывистого Р. р. фемических м-лов: оливин → ромб. пироксен → мон. пироксен → амфибол → биотит; б) непрерывного Р. р. салических м-лов: основной плагиоклаз → средний плагиоклаз → кислый плагиоклаз → калиевый полевой шпат. Каждому члену первого ряда соответствует определенный член второго ряда. Совместная кристаллизация м-лов 2 Р. р. протекает с образованием эвтектики , и в этом случае последовательность выделения зависит от состава расплава. Предложенные Боуэном Р. р. кристаллизации м-лов могут иногда нарушаться в зависимости от состава расплава, от температуры, давления и др. условий. Р. р. охватывают все главные компоненты изв. п.; акцессорные м-лы также кристаллизуются в разл. время, но их точное положение в Р. р. неизвестно.

Быстрое снятие давления эквивалентно в отношении кристаллизации быстрому охлаждению.

Вязкость расплава хорошо иллюстрирует зависимость физических свойств магмы от состава и параметров окружающей среды. Вязкость силикатных расплавов очень быстро уменьшается с повышением температуры. Она возрастает с понижением давления при постоянной температуре. Вязкость также сильно зависит от содержания кремнезема в расплаве. Она значительно выше для богатых, чем для бедных кремнеземом магм. Кроме того, на вязкость, как уже отмечалось, влияет присутствие летучих компонентов, хотя экспериментально эта величина не определена. Следовательно, предсказать вязкость природной магмы невозможно. Резкие местные изменения вязкости иногда наблюдаются в кажущихся однородными лавах, излившихся одновременно из одних и тех же вулканов.

Изучать вещество мантии напрямую на сегодняшний день технически невозможно. Изучают объекты, расположенные на поверхности земли: магматические породы (базальты, коматииты, кимберлиты, лампроиты, карбонатиты и другие), образовавшиеся в результате частичного плавления мантии; фрагменты мантийных пород (ксенолиты, ксенокристы и алмазы), выносимые мантийными расплавами; и мантийные комплексы пород в составе земной коры. Они встречаются в следующих геодинамических обстановках:

Альпинотипные гипербазиты — части мантии, внедренные в земную кору в результате горообразования. Наиболее распространены в Альпах, от которых и произошло название.

Офиолитовые гипербазиты — передотиты в составе офиолитовых комлексов — частей древней океанической коры.

Абиссальные перидотиты — выступы мантийных пород на дне океанов или рифтов.