Состав земной коры. Внутреннее строение земли
Химический состав земной коры
В составе земной коры - множество элементов, но основную её часть составляют кислород и кремний.
Средние значения химических элементов в земной коре носят название кларков. Название было введено советским геохимиком А.Е. Ферсманом в честь американского геохимика Франка Уиглсуорта Кларка, который проанализировав результаты анализа тысяч образцов пород рассчитал средний состав земной коры. Вычисленный Кларком состав земной коры был близок к граниту - распространённой магматической горной породе в континентальной земной коре Земли.
После Кларка определением среднего состава земной коры занялся норвежский геохимик Виктор Гольдшмидт. Гольдшмидт сделал предположение, что ледник, двигаясь по континентальной коре соскребает и смешивает выходящие на поверхность горные породы. Поэтому ледниковые отложения или морены отражают средний состав земной коры. Проанализировав состав ленточных глин, отложившихся на дне Балтийского моря во время последнего оледенения, учёный получил состав земной коры, который очень походил на состав земной коры вычисленный Кларком.
В последствии состав земной коры изучался советскими геохимиками Александром Виноградовым, Александром Роновым, Алексеем Ярошевским, немецким учёным Г. Ведеполем.
После анализа всех научных работ было выяснено, что наиболее распространенным элементом в составе земной коре является кислород. Его кларк - 47%. Следующий аосле кислорода по распространенности химический элемент - кремний с кларком 29,5%. Остальными распространенными элементами являются: алюминий (кларк 8,05), железо (4,65), кальций (2,96), натрий (2,5), калий (2,5), магний (1,87) и титан (0,45). В совокупности на эти элементы составляют 99,48% от всего состава земной коры; они образуют многочисленные химические соединения. Кларки остальных 80 элементов составляют всего 0,01-0,0001 и поэтому такие элементы называются редкими. Если же элемент не только редкий, но и обладает слабой способностью к концентрированию, его называют редким рассеянным.
В геохимии также употребляют термин «микроэлементы», под которым понимают элементы, кларки которых в данной системе менее 0,01. А.Е. Ферсман построил график зависимости атомных кларков для чётных и нечётных элементов периодической системы. Выявилось, что с усложнением строения атомного ядра кларки уменьшаются. Но линии, построенные Ферсманом, оказались не монотонными, а ломанными. Ферсман прочертил гипотетическую среднюю линию: элементы, расположенные выше этой линии, он назвал избыточными (О, Si, Са, Fe, Ва, РЬ и т.д.), ниже - дефицитными (Ar, Не, Ne, Sc, Со, Re и т.д.).
Ознакомиться с распространением важнейших химических элементов в земной коре можно с помощью этой таблицы:
| Хим. элемент | Порядковый номер | Содержание, в % от массы всей земной коры | Молярная масса | Содержание, % количество вещества |
| Кислород O | 8 | 49,13 | 16 | 53,52 |
| Кремний Si | 14 | 26,0 | 28,1 | 16,13 |
| Алюминий Al | 13 | 7,45 | 27 | 4,81 |
| Железо Fe | 26 | 4,2 | 55,8 | 1,31 |
| Кальций Ca | 20 | 3,25 | 40,1 | 1,41 |
| Натрий Na | 11 | 2,4 | 23 | 1,82 |
| Калий K | 19 | 2,35 | 39,1 | 1,05 |
| Магний Mg | 12 | 2,35 | 34,3 | 1,19 |
| Водород H | 1 | 1,00 | 1 | 17,43 |
| Титан Ti | 22 | 0,61 | 47,9 | 0,222 |
| Углерод C | 6 | 0,35 | 12 | 0,508 |
| Хлор Cl | 17 | 0,2 | 35,5 | 0,098 |
| Фосфор Р | 15 | 0,125 | 31,0 | 0,070 |
| Сера S | 16 | 0,1 | 32,1 | 0,054 |
| Марганец Mn | 25 | 0,1 | 54,9 | 0,032 |
| Фтор F | 9 | 0,08 | 19,0 | 0,073 | Барий Ва | 56 | 0,05 | 137,3 | 0,006 |
| Азот N | 7 | 0,04 | 14,0 | 0,050 |
| Прочие элементы | ~0,2 |
Распределение химических элементов в земной коре подчиняется следующим закономерностям:
1. Закону Кларка-Вернадского, который гласит, что все химические элементы есть везде (закон о всеобщем рассеянии);
2. С усложнением строения атомного ядра химических элементов, его утяжелением, кларки элементов уменьшаются (Ферсман);
3. В земной коре преобладают элементы с чётными порядковыми номерами и атомными массами.
4. Среди соседних элементов у четных всегда кларки выше, чем у нечетных (установили итальянский ученый Оддо и американский Гаркис).
5. Особенно велики кларки элементов, атомная масса которых делится на 4 (O, Mg, Si, Са...), а начиная с Аl, наибольшими кларками обладает каждый 6-й элемент (O, Si, Са, Fe).
Введение
Три наружные оболочки Земли, различающиеся фазовым состоянием, – твердая земная кора, жидкая гидросфера и газовая атмосфера – тесно связаны между собой, а вещество каждой из них проникает в пределы других. Подземные воды пронизывают верхнюю часть земной коры, значительный объем газов находится не в атмосфере, а растворен в гидросфере и заполняет пустоты в почве и горных породах. В свою очередь, вода и мелкие твердые минеральные частицы насыщают нижние слои атмосферы.
Наружные оболочки связаны не только пространственно, но и генетически. Происхождение оболочек, формирование их состава и его дальнейшая эволюция взаимосвязаны. В настоящее время эта связь в значительной мере обусловлена тем, что наружная часть планеты охвачена геохимической деятельностью живого вещества.
Массы оболочек сильно различаются. Масса земной коры оценивается в 28,46×10 18 т, Мирового океана – 1,47×10 18 т, атмосферы – 0,005×10 18 т. Следовательно, в земной коре находится основной резерв химических элементов, которые вовлекаются в миграционные процессы под воздействием живого вещества. Концентрации и распределение химических элементов в земной коре оказывают сильное влияние на состав живых организмов суши и всего живого вещества Земли.
Рассматривая проблему состава живого вещества, В.И. Вернадский отмечал: «…химический состав организмов теснейшим образом связан с химическим составом земной коры; организмы приноравливаются к нему».
Химики и петрографы начиная со второй половины XIX в. изучали химический состав горных пород методами весового и объемного химического анализа. Суммируя результаты многочисленных анализов горных пород, Ф. Кларк показал, что в земной коре преобладают восемь химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, калий и натрий. Этот основной вывод неоднократно подтвержден результатами последующих исследований. Методами химического анализа, которыми пользовались в XIX в., определение низких концентраций элементов было невозможно. Требовались принципиально иные подходы.
Мощный импульс изучению химических элементов с очень низкой концентрацией в веществе земной коры дало применение более чувствительного метода – спектроскопического анализа. Новые факты позволили В.И. Вернадскому сформулировать принцип «всюдности» всех химических элементов. В докладе на XII съезде российских естествоиспытателей и врачей в декабре 1909 г. он заявил: «В каждой капле и пылинке вещества на земной поверхности, по мере увеличения тонкости наших исследований, мы открываем все новые и новые элементы… В песчинке или в капле, как в микрокосмосе, отражается общий состав космоса».
Идея «всюдности» химических элементов долгое время вызывала настороженность даже со стороны крупных ученых. Это было связано с тем, что элементы, содержащиеся в количестве ниже уровня чувствительности метода, при анализе не обнаруживались. Создавалась иллюзия их полного отсутствия, что отразилось на терминологии. В геохимии возникли термины редкие элементы (dieselteneElementen– нем.; rareelements– англ.), частота (dieHaufigkeit– нем.) обнаружения. В действительности имеет место не реальная редкость или малая частота встречаемости элемента при анализах, а его низкая концентрация в изучаемых пробах, которая не может быть определена недостаточно чувствительными методами анализа.
Низкая чувствительность метода часто не позволяла определять количество элемента, а лишь констатировать присутствие его «следов». С тех пор в геохимической литературе широко используется термин? применявшийся В.М. Гольдшмидтом и его коллегами в 1930-х гг.: элементы-следы (dieSpurelemente– нем.; traceelements– англ.; deselementstraces– фр.).
В итоге усилий ученых разных стран в 20-х гг. XX в. сложилось общее представление о составе земной коры. Средние значения относительного содержания химических элементов в земной коре и других глобальных и космических системах известный геохимик А.Е. Ферсман предложил называть кларками в честь ученого, который наметил путь к количественной оценке распространения химических элементов.
Кларк – весьма важная величина в геохимии. Анализ значений кларков позволяет понять многие закономерности распределения химических элементов на Земле, в Солнечной системе и доступной нашим наблюдениям части Вселенной. Кларки химических элементов земной коры различаются более чем на десять математических порядков. Столь существенное количественное различие должно отразиться на качественно неодинаковой роли двух групп элементов в земной коре. Наиболее ярко это проявляется в том, что элементы первой группы, содержащиеся в относительно большом количестве, образуют самостоятельные химические соединения, а элементы второй группы с малыми кларками преимущественно распылены, рассеяны среди химических соединений других элементов. Элементы первой группы называют главными, элементы второй – рассеянными. Их синонимами в английском языке являются minorelements, rareelements, наиболее употребляемый синоним traceelements. Условной границей между группами главных и рассеянных элементов в земной коре может служить величина 0,1%, хотя кларки большей части рассеянных элементов значительно меньше и измеряются тысячными и меньшими долями процента. Понятие о состоянии рассеяния химических элементов, так же как и о их «всюдности», было введено в науку В.И. Вернадским.
Полный химический состав верхнего, так называемого гранитного, слоя континентального блока земной коры приведен в табл. 1.1.
Таблица 1.1 Кларки химических элементов гранитного слоя коры континентов
| Химический элемент | Атомный номер | Среднее содержание, 1 × 10 -4 % | Химический элемент | Атомный номер | Среднее содержание, 1 × 10 -4 % |
| О | 8 | 481 000 | Mg | 12 | 12000 |
| Si | 14 | 399 000 | Ti | 22 | 3300 |
| А1 | 13 | 80 000 | H | 1 | 1000 |
| Fe | 26 | 36000 | P | 15 | 800 |
| К | 19 | 27000 | F | 9 | 700 |
| Са | 20 | 25000 | Мn | 25 | 700 |
| Na | 11 | 22000 | Ва | 56 | 680 |
| S | 16 | 400 | Ег | 68 | 3,6 |
| С | 6 | 300 | Yb | 70 | 3,6 |
| Sr | 38 | 230 | Hf | 72 | 3,5 |
| Rb | 37 | 180 | Sn | 50 | 2,7 |
| Cl | 17 | 170 | и | 92 | 2,6 |
| Zr | 40 | 170 | Be | 4 | 2,5 |
| Се | 58 | 83 | Br | 35 | 2,2 |
| V | 23 | 76 | Та | 73 | 2,1 |
| Zn | 30 | 51 | As | 33 | 1,9 |
| La | 57 | 46 | W | 74 | 1,9 |
| Yr | 39 | 38 | Ho | 67 | 1,8 |
| Cl | 24 | 34 | Tl | 81 | 1,8 |
| Nd | 60 | 33 | Eu | 63 | 1,4 |
| Li | 3 | 30 | Tb | 65 | 1,4 |
| N | 7 | 26 | Ge | 32 | 1,3 |
| Ni | 28 | 26 | Mo | 42 | 1,3 |
| Cu | 29 | 22 | Lu | 71 | 1,1 |
| Nb | 41 | 20 | I | 53 | 0,5 |
| Ga | 31 | 18 | Tu | 69 | 0,3 |
| Pb | 82 | 16 | In | 49 | 0,25 |
| Th | 90 | 16 | Sb | 51 | 0,20 |
| Sc | 21 | 11 | Cd | 48 | 0,16 |
| В | 5 | 10 | Se | 34 | 0,14 |
| Sm | 62 | 9 | Ag | 47 | 0,088 |
| Gd | 64 | 9 | Hg | 80 | 0,033 |
| Pr | 59 | 7,9 | Bi | 83 | 0,010 |
| Co | 27 | 7,3 | Au | 79 | 0,0012 |
| Dy | 66 | 6,5 | Те | 52 | 0,0010 |
| Cs | 55 | 3,8 | Re | 75 | 0,0007 |
Для образования любого химического соединения требуется концентрация исходных компонентов не меньше минимальной, ниже которой реакция невозможна. Поэтому в земной коре преобладают химические соединения главных элементов с высокими кларками. Несмотря на то, что общее количество природных химических соединений – минералов – составляет 2-3 тыс. видов, число минералов, образующих распространенные горные породы, невелико. Более 80% массы земной коры представлено силикатами алюминия, железа, кальция, магния, калия и натрия; около 12% составляет оксид кремния. Все эти минералы имеют кристаллическое строение, которое и определяет общие особенности кристаллохимии земной коры.
В.М. Гольдшмидт показал, что силикатный состав и кристаллическое строение земной коры весьма важны для распределения не главных, рассеянных элементов. Согласно концепции Гольдшмидта в кристаллохимических структурах ионы ведут себя как жесткие сферы (твердые шары). Поэтому радиус каждого иона рассматривается как постоянная величина.
Главная особенность ионов в кристаллохимических структурах заключается в том, что радиусы отрицательно заряженных ионов (анионов) значительно больше радиусов положительно заряженных ионов (катионов). Представим анионы в виде крупных шаров, а катионы – в виде мелких. Тогда моделью кристаллического вещества с ионным типом связи будет пространство, заполненное плотно прилегающими большими шарами – анионами, между которыми должны размещаться мелкие шарики – катионы. Согласно представлениям Гольдшмидта этот каркас играет роль своеобразного геохимического фильтра, способствующего дифференциации химических элементов по величине их ионов. В конкретную кристаллохимическую структуру могут войти не любые элементы, обладающие необходимой валентностью, а лишь те, ионы которых имеют соответствующий размер радиусов.
Образование распространенных минералов сопровождается своего рода сортировкой рассеянных элементов. Для пояснения этого процесса обратимся к распространенному минералу – полевому шпату. Его кристаллохимическая структура образована группировками, состоящими из трех катионов кремния и одного алюминия, каждый из которых связан с четырьмя анионами кислорода. Группировка в целом представляет собой комплексный анион, где восемь ионов кислорода, три кремния и один алюминия. Это создает один отрицательный заряд, который уравновешивается одновалентным катионом калия. В итоге существует трехкамерная структура, состав которой отвечает формуле K.
Величина радиуса иона калия составляет 0,133 нм. Его место в структуре может занять только катион с близкой величиной радиуса. Таковым является двухвалентный катион бария, радиус которого равен 0,134 нм. Барий менее распространен, чем калий. Обычно он присутствует в виде незначительной примеси в полевых шпатах. Только в особых случаях создается его значительная концентрация и образуется редкий минерал цельзиан (бариевый полевой шпат).
Аналогичным образом в распространенных минералах и горных породах избирательно задерживаются химические элементы, концентрация которых не так велика для образования самостоятельных минералов. Взаимное замещение ионов в кристаллической структуре благодаря близости их радиусов называется изоморфизмом. Это явление было обнаружено еще в начале XIX в., но его значение для глобальной дифференциации рассеянных химических элементов установлено только спустя столетие.
В результате изоморфизма рассеянные элементы закономерно концентрируются в определенных минералах. Полевые шпаты служат носителями бария, стронция, свинца; оливины – никеля и кобальта; цирконы – гафния и т.д. Такие элементы, как рубидий, рений, гафний, не образуют самостоятельных соединений в литосфере и полностью рассеяны в кристаллохимических структурах минералов-хозяев.
Изоморфные замещения – не единственная форма нахождения рассеянных элементов. Феномен рассеяния в земной коре проявляется в разных формах на разном уровне дисперсности.
Наиболее грубодисперсной формой рассеяния являются хорошо окристаллизованные, очень мелкие (обычно менее 0,01 – 0,02 мм в поперечнике) акцессорные минералы. Они образуют механические включения в породообразующих минералах (рис. 1.1).
Рис. 1.1 Включение акцессорных апатита (1) и циркона (2) в зерне полевого шпата. Прозрачный шлиф, увеличение 160 ´
Содержание акцессориев весьма незначительное, но концентрация рассеянных элементов в них настолько высокая, что эти элементы образуют самостоятельные соединения. В кристаллических породах в качестве акцессориев присутствуют циркон Zr, рутил, реже анатаз и брукит, имеющие однотипный состав ТiO 2 , апатит Са 5 [РО 4 ] 3 F, магнетит Fe 2+ Fe 2 3+ O 4 , ильменит FeTiO 3 , монацит СеРО 4 , ксенотим YPO 4 , касситерит SnO 2 , хромит ЕеСг 2 О 4 и другие сорных апатита (7) и минералы группы шпинели, минералы группы колумбита (Fe, Mg) (Nb, Та) 2 О 6 и др. Содержание акцессориев в некоторых породообразующих минералах, особенно в слюдах, довольно заметно.
В некоторых минералах, преимущественно среди сульфидов и им подобных соединений, широко распространены так называемые структуры распада твердого раствора – мелкие выделения минерала-примеси в веществе минерала-хозяина. Их примером могут служить «эмульсионная вкрапленность» халькопирита CuFeS 2 и станина Cu 2 FeSnS 4 в сфалерите ZnS, тонкие пластинчатые выделения ильменита FeTiO 3 в магнетите Fe 2+ Fe 2 3+ O 4 , мелкие выделения минералов серебра в галените PbS. В результате в сульфиде свинца присутствует ощутимая примесь серебра, в сульфиде меди – примесь олова, в магнетите – примесь титана.
Применение поляризационного микроскопа и прозрачных шлифов позволило обнаружить в минералах не только твердые включения, но и микро-пустоты, заполненные остатками растворов, из которых осуществлялась кристаллизация (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Микрополости в кварце: 1 – кристалл сильвина; 2 – кристалл галита; 3 – пузырек газа; 4 – жидкая фаза. Прозрачный шлиф, увеличение 900 ´
Это явление, впервые специально рассмотренное в 1858 г. основателем оптической петрографии Г. Сорби, к настоящему времени всесторонне изучено. Микрополости в минералах обычно содержат жидкую и газовую фазы, иногда к ним добавляются мелкие кристаллы. Проблема жидких включений была основательно проанализирована У. Ньюхаузом, который отметил присутствие в жидкостях тяжелых металлов (до нескольких процентов).
Некоторая часть примеси рассеянных элементов, легко экстрагируемая из тонко растертых мономинеральных проб, связана именно с жидкими включениями. Н.П. Ермаков (1972), изучив микровключения из флюорита, обнаружил в них n×10 -1 % цинка, марганца, n×10 -2% бария, хрома, меди, никеля и свинца, n× 10 -3% титана. В дальнейшем в жидких включениях были обнаружены и другие рассеянные элементы.
Вместе с тем тщательный анализ мономинеральных проб и использование электронного зондирования показали, что все без исключения породообразующие минералы содержат рассеянные элементы в настолько высокодисперсной форме, что они не могут быть обнаружены не только при помощи оптической, но и электронной микроскопии. В этом случае имеет место рассеяние элементов на уровне ионов и молекул. Формы такого рассеяния не ограничиваются рассмотренными ранее явлениями изоморфизма. Известны многочисленные случаи присутствия химических элементов в минералах, не имеющих никакой связи с изоморфизмом.
Результаты многих тысяч анализов, выполненных в разных странах за последние 50 лет, позволяют утверждать, что все породообразующие минералы являются носителями рассеянных элементов. Именно в них сосредоточена основная масса рассеянных элементов, содержащаяся в земной коре. Зная содержание минералов-носителей и концентрацию в них рассеянных элементов, можно рассчитать баланс внутри конкретной горной породы.
При изучении гранитов Тянь-Шаня было обнаружено, что в кварце, несмотря на ничтожную концентрацию свинца, заключено более 5% всей массы этого металла, содержащегося в породе (табл. 1.2).
Таблица 1.2. Распределение свинца в минералах, слагающих граниты хребта Джумгол
Невозможно предположить изоморфное вхождение свинца, цинка или другого металла в структуру кварца, образованную комбинацией ионов кремния и кислорода. Между тем кварц служит носителем многих рассеянных элементов. Разработан особый метод оценки потенциальной рудоносности горных пород и жил по содержанию в кварце лития, рубидия, бора.
При экспериментальном изучении прочности закрепления рассеянных металлов в породообразующих минералах было обнаружено, что при обработке тонко измельченной минеральной массы последовательными порциями слабых кислотно-щелочных растворителей значительная часть металлов легко извлекается при первой же экстракции, причем это извлечение не сопровождается разрушением кристаллохимической структуры минералов. При дальнейших обработках количество экстрагируемых металлов резко сокращается или прекращается совсем. Это позволило высказать предположение, что часть рассеянных элементов не входит в собственно кристаллохимическую структуру, а приурочена к дефектам реальных кристаллов. Дефекты представляют собой разного рода трещины, причем настолько мелкие, что не обнаруживаются оптическим микроскопом. Легкость извлечения рассеянных металлов объясняется тем, что они связаны с поверхностью минерала-носителя сорбционными силами. В породообразующих силикатах эта форма нахождения рассеянных металлов составляет 10 – 20% от всей массы рассеянных металлов. В частности, непрочно связанная форма свинца в гранитах Тянь-Шаня составляет от 12 до 18% всей массы рассеянного элемента.
Можно выделить следующие формы нахождения рассеянных элементов в кристаллическом веществе земной коры:
I. Микроминералогические формы:
1. Элементы, входящие в акцессорные минералы.
2. Элементы, содержащиеся в микроскопических выделениях в результате распада твердых растворов.
3. Элементы, находящиеся во включениях остаточных растворов. П. Неминералогические формы:
4. Элементы, сорбированные поверхностью дефектов реальных кристаллов.
5. Элементы, входящие в структуру минерала-носителя по законам изоморфизма.
6. Элементы, находящиеся в структуре минерала-носителя в неупорядоченном состоянии.
Сочетание рассмотренных форм нахождения рассеянных элементов сильно меняется в зависимости от многих факторов. Соответственно меняется и суммарное содержание рассеянного элемента в разных участках земной коры.
3. Особенности распределения химических элементов в земной коре
Варьирование содержания элемента в разных пробах обусловлено многими независимыми причинами. Когда распределение величины определяется достаточно большим числом примерно равнодействующих и взаимно независимых причин, то оно подчиняется так называемому нормальному закону Гаусса. Его графическим выражением является кривая с симметричными ветвями по обе стороны максимальной ординаты. При нормальном распределении наиболее вероятным значением служит среднее арифметическое х, которое совпадает с наиболее часто встречающимися значениями – модой. Растянутость симметричной кривой по оси абсцисс, т.е. разброс значений в большую и меньшую стороны от моды, характеризуется средним квадратичным отклонением а.
Нормальное распределение может также проявляться не для самой величины, а для ее логарифма (логарифмически нормальный, или логнормальный, закон распределения). В этом случае мода совпадает со средним геометрическим, а разброс значений характеризуется логарифмом а.
В 1940 г. Н.К. Разумовский эмпирическим путем обнаружил, что содержание металлов в рудах соответствует логарифмически нормальному распределению. Л.X. Арене в 1954 г., обработав обширный материал, независимо от Разумовского установил, что распределение рассеянных элементов в магматических породах аппроксимируется логарифмически нормальным законом. Многочисленные факты указывают на то, что распределение элементов с высокими кларками обычно подчиняется нормальному закону, а рассеянных – логнормальному. Это еще раз подтверждает принципиальное различие главных и рассеянных элементов.
С высокой вариабельностью низкокларковых элементов связана их способность к высокой степени концентрации. Максимальная степень концентрации главных элементов составляет 10 – 20 раз по отношению к их кларку, а для рассеянных элементов – в сотни и тысячи раз больше. Например, в рудах промышленных месторождений степень концентрации свинца, никеля, олова, хрома составляет 1000×п.
Говоря об огромных массах тяжелых металлов, сосредоточенных в месторождениях руд, следует помнить, что эти массы – ничтожная часть общего количества металлов, рассеянных в земной коре. В частности, общемировые запасы руд цинка, меди, свинца, никеля составляют всего лишь тысячные доли процента от масс этих металлов, рассеянных в верхнем километровом слое земной коры континентов.
Залежи руд связаны с окружающими горными породами постепенными переходами. Рудные тела находятся как бы в чехле постепенно убывающей концентрации металлов. Такие образования получили название ореолов рассеяния Первичные, сингенетичные рудные ореолы возникают одновременно с рудными телами и в результате одних и тех же процессов. Они имеют разнообразную конфигурацию, зависящую от геологического строения, состава вмещающих пород и условий рудообразования.
В рудах наряду с одним или несколькими главными рудообразующими элементами присутствуют сопутствующие элементы, концентрация которых также повышена, но не настолько, как главных. Элементы-спутники часто образуют изоморфные замещения главных. Например, в цинковых рудах постоянно содержится кадмий, в меньшем количестве – индий, галлий, германий. В медно-никелевых рудах присутствует значительная примесь кобальта, в меньшем количестве – селена и теллура. Все сопутствующие элементы также рассеиваются вокруг рудных тел. Обладая неодинаковой геохимической подвижностью, они образуют переходные зоны разной протяженности. В итоге состав и строение ореолов рассеяния очень сложны.
Среднее содержание химического элемента представляет собой норму – геохимический фон – для данного типа пород в определенном районе. На геохимическом фоне выделяются геохимические аномалии – участки горных пород с повышенной концентрацией рассеянных элементов. Если они связаны с залежами руд, то это ореолы рассеяния. Если же концентрации металлов не достигают кондиции руды, то такие аномалии называют ложными. Используя статистическую обработку массовых аналитических данных, можно обнаружить закономерные изменения величины геохимического фона в пространстве и выявить геохимические провинции. В пределах провинций горные породы одного типа обладают выдержанными статистическими параметрами, в первую очередь значениями среднего содержания одного или нескольких рассеянных элементов. Среднее содержание некоторых элементов в однотипных породах разных геохимических провинций может сильно различаться (в несколько раз). При этом химический состав этих пород, определяемый содержанием главных элементов, остается одинаковым или имеет очень слабые отличия. Например, в гранитах разных провинций, имеющих практически одинаковое количество кремния, алюминия, железа, калия, содержание олова, свинца, молибдена, урана может различаться в 2–3 раза.
Изложенный материал свидетельствует о неравномерности распределения рассеянных элементов в земной коре. Поэтому наряду с определением кларков, т.е. величины средней концентрации элементов в земной коре в целом, необходимо учитывать их способность концентрироваться или рассеиваться в различных объектах – разных типах горных пород или в однотипных породах, но находящихся в разных геохимических провинциях, в рудах и др. Чтобы количественно оценить неоднородность химических элементов в земной коре, В.И. Вернадский ввел специальный показатель – кларк концентрации К к. Его числовое значение характеризует отклонение содержания элемента в данном объеме от кларка:
К К = А/К,
где А – содержание химического элемента в горной породе, руде, минерале и др.;
К – кларк этого элемента в земной коре. Если кларк концентрации больше единицы, это указывает на обогащение элементом, если меньше – означает снижение его содержания по сравнению с данными для земной коры в целом.
Изменение концентрации химических элементов в пространстве, отклонение от глобальной или местной геохимической нор МЬ1 __ не отдельные случаи, а характерная черта геохимической структуры земной коры. Это имеет очень важное значение для состава фотосинтезирующих организмов суши, которые образуют основную часть массы живого вещества Земли.
Литература
1. Алексеенко В.А. Экологическая геохимия. – М.: Логос, 2000. – 627 с.
2. Арене Л. X. Распределение элементов в изверженных породах // Химия земной коры. – М.: Наука, 1964. – Т. 2. – С. 293–300.
3. Вернадский В.И. Очерки геохимии // Избр. соч.: В 5 т. – М.: Изд-во АН СССР, 1954. – Т. 1. – С. 7–391.
4. Войткевич Г.В., Мирошников А.Е., Повареных А.С., Прохоров В.Г. Краткий справочник по геохимии. – М.: Недра, 1977. – 183 с.
5. Гольдшмит В.М. Принципы распределения химических элементов в минералах и горных породах // Сб. ст. по геохимии редких элементов. – М. – Л.: ГОНТИ НКТП СССР, 1930. – С. 215–242.
6. Добровольский В.В. География микроэлементов. Глобальное рассеяние. – М.: Мысль, 1983. – 269 с.
7. ПерельманА.И. Геохимия. – М.: Высш. шк., 1989. – 528 с.
8. Ронов А.Б., Ярошевский А.А. Новая модель химического состава земной коры // Геохимия. – 1976. – №12. – С. 1763–1795.
Химические изменения в земной коре определяются преимущественно геохимической историей главных породообразующих элементов, содержание которых составляет свыше 1%. Вычисления среднего химического состава земной коры проводились многими исследователями как за рубежом (Ф. Кларк, Г. С. Вашингтон, В. М. Гольдшмидт, Ф.Тейлор, В. Мейсон и др.), так и в Советском Союзе (В.И.Вернадский, А. Е. Ферсман, А. П. Виноградов, А. А. Ярошевский и др.) (табл. 2.1).
Сопоставляя приведенные данные, видно, что земная кора больше чем на 98% сложена О, Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, К, при этом свыше 80% составляют кислород, кремний и алюминий, в отличие от среднего состава Земли, где содержание их резко уменьшается. Особенно высоко содержание кислорода, поэтому В. М. Гольдшмидт называет земную кору оксисферой, или кислородной оболочкой Земли.
МИНЕРАЛЫ
Минералами называются природные химические соединения или отдельные химические элементы, возникшие в результате физико-химических процессов, происходящих в Земле. В земной коре минералы находятся преимущественно в кристаллическом состоянии, и лишь незначительная часть - в аморфном. Свойства кристаллических веществ обусловливаются как их составом, так и внутренним строением, т.е. кристаллической структурой. В кристаллических решетках расстояния между элементарными частицами и характер связей между ними в разных направлениях неодинаковы (рис. 2.1), что обусловливает и различие свойств. Такое явление называется анизотропией или неравносвойственностью кристаллического вещества. Анизотропия кристаллических веществ проявляется во многих их особенностях. Например, в способности кристаллического вещества самоограняться, т.е. образовывать многогранники - кристаллы, форма кристаллов разнообразна и зависит, прежде всего, от внутреннего строения данного соединения.
Проявление анизотропии можно рассмотреть на примере минерала графита, внутренняя структура которого приведена на рис. 2.1,б. Расстояние между атомами углерода в пределах плоских слоев решетки составляет 0,14 нм (1,42 А), между слоями оно больше-0,33 нм (3,39 А). Это объясняет способность графита легко расщепляться (весьма совершенная спайность - см. ниже) на тонкие листочки, параллельные слоям решетки, и с трудом ломаться по неровным поверхностям в других направлениях, где расстояния между частицами и силы сцепления между ними больше.
В аморфных веществах закономерность в расположении частиц отсутствует. Свойства их зависят только от состава и во всех направлениях статистически одинаковы, т.е. аморфные вещества изотропны или равносвойственны. Прежде всего, это выражается в том, что аморфные вещества не образуют кристаллов и не обладают спайностью.
В различных физико-химических условиях вещества одинакового химического состава могут приобретать разное внутреннее строение, а следовательно, и разные физические свойства и создавать таким образом разные минералы. Это явление называется полиморфизмом (греч. "поли" - много). В качестве яркого примера полиморфизма можно назвать две модификации углерода (С): упомянутый минерал графит и минерал алмаз. Внутренняя структура алмаза резко отличается от строения графита (рис. 2.1,а). В структуре алмаза сцепления между атомами углерода однотипны и прочны. Отсюда вытекают и свойства алмаза (С), резко отличные от свойств графита (С): низкие твердость-1 и плотность-2,1-2,3 графита и высокие-алмаза, соответственно 10 и 3,5 и др.
Важным свойством кристаллических веществ, обусловленным внутренним строением, является также его однородность, выражающаяся в том, что любые части кристаллического вещества в одинаковых направлениях обладают одинаковыми свойствами, т.е. если кристалл графита в одном направлении имеет весьма совершенную спайность, то и любой его обломок в том же направлении обладает этим свойством.
Формы нахождения минералов в природе разнообразны и зависят главным образом от условий образования. Это либо отдельные кристаллы или их закономерные сростки (двойники), либо четко обособленные минеральные скопления, либо, чаще, скопления минеральных зерен - минеральные агрегаты.
Отдельные изолированные кристаллы и кристаллические двойники, т.е. закономерные сростки кристаллов, возникают в благоприятных для роста условиях. Форма кристаллов разнообразна и отражает как состав и внутреннюю структуру минерала, так и условия образования. Двойниками называются закономерные сростки кристаллов. Законы двойникования разнообразны, что приводит к формированию морфологически различных двойников.
Среди обособленных минеральных скоплений наиболее часто встречают друзы, представляющие скопления кристаллов, приросших к стенкам пещер или трещин. Секреции - результат постепенного заполнения ограниченных пустот минеральным веществом, отлагающимся на их стенках. Они имеют обычно концентрическое строение, отражающее стадийность формирования. Мелкие секреции называются миндалинами, крупные - жеодами. Конкреции - более или менее округлые образования, возникшие путем осаждения минерального вещества вокруг какого-либо центра кристаллизации. С этим часто связано концентрическое или радиально-лучистое строение конкреций. Мелкие округлые образования обычно концентрического строения называются оолитами. Их возникновение связано с выпадением минерального вещества в подвижной водной среде. Натечные образования, осложняющие поверхности пустот, возникают при кристаллизации минерального вещества из просачивающихся подземных вод. Натеки, свисающие со сводов пустот, называются сталактитами, растущие вверх со дна пещер - сталагмитами. На поверхности трещин могут развиваться плоские минеральные пленки, имеющие разное строение.
Наиболее широко развиты минеральные агрегаты кристаллического, аморфного или скрытокристаллического строения, слагающие толщи пород. Они образуются при более или менее одновременном выпадении из растворов или расплавов множества минеральных частиц. В кристаллических агрегатах минералы находятся в кристаллическом состоянии, но зерна их имеют неправильную форму. Величина зерен зависит от условий кристаллизации и изменяется от крупных до землистых. В жилах кристаллические агрегаты часто имеют массивное (сливное) строение, при котором отдельные зерна на глаз не различимы. Аморфные агрегаты представляют собой однородные плотные или землистые массы, обладающие матовым, восковым или слабожирным блеском. Скрытокристаллические агрегаты внешне напоминают аморфные и отличаются от них только микроскопически.
Они представляют собой коллоидные системы, состоящие из тонкодисперсных кристаллических частиц и заключающей их среды.
Встречаются минеральные образования, состав которых не соответствует форме, которую они слагают,- это так называемые псевдоморфозы (греч. "псевдо" - ложный). Они возникают при химических изменениях ранее существующих минералов или заполнении пустот, образовавшихся при выщелачивании каких-либо минеральных или органических включений. К первым относятся, например, часто встречающиеся псевдоморфозы лимонита по пириту, когда кубические кристаллы пирита (FeS 2) превращаются в скрытокристаллический лимонит, ко вторым - псевдоморфозы опала по древесине и др.
Физические свойства минералов. Постоянство химического состава и внутренней структуры минералов обусловливает их свойства. На этом основаны различные методы минералогических исследований и определений минералов. Большинство из них требует специального оборудования и возможно только в стационарных условиях. Однако каждый исследователь, имеющий дело с минералами и горными породами, должен владеть методом их полевого определения, основанного на изучении внешних, видимых невооруженным глазом (макроскопически) свойств.
Морфология кристаллов минералов может явиться важным диагностическим признаком, хотя следует отметить, что в природе один и тот же минерал в разных условиях образует кристаллы различной формы, а разные минералы могут давать одинаковые кристаллы. Отметим лишь некоторые данные кристаллографии, используемые ниже при характеристике минералов. Все разнообразие форм кристаллов минералов удается разделить на шесть крупных подразделений, называемых сингониями. Не останавливаясь на специальных вопросах, рассматриваемых в курсах кристаллографии, отметим только, что сингонии отражают степень симметричности кристаллов. Выделяют сингонии: кубическую, объединяющую наиболее симметричные кристаллы, которые имеют несколько осей симметрии высшего порядка; гексагональную (с тригональной подсингонией), кристаллы которой имеют одну ось шестого или третьего порядка; тетрагональную - кристаллы имеют одну ось четвертого порядка. Наименее симметричные кристаллы принадлежат к ромбической, моноклинальной или триклинной сингониям, в кристаллах которых отсутствуют оси симметрии высшего порядка.
Оптические свойства минералов. Цвет - важный признак минералов, который, однако, можно использовать лишь в совокупности с другими свойствами. Окраска минерала определяется его химическим составом (основным и примесями), структурой, механическими примесями и неоднородностями. В связи с этим один и тот же минерал может иметь различную окраску, а разные минералы бывают окрашены в одинаковый цвет. Цвет минерала может осложняться интерференцией света в его поверхностных частях, что вызывает, например, появление серых, синих и зеленых переливов у Лабрадора (явление иризации). Описывая минерал, следует стремиться к возможно более точному определению цвета. Если в одном куске минерала цвет изменяется, необходимо указать характер смены окраски.
Для непрозрачных и сильно окрашенных слабопрозрачных минералов важным диагностическим признаком является цвет минерала в порошке, или цвет черты. Он может быть и таким же, как в куске (см. магнетит), но может от него отличаться (см. пирит). У прозрачных и большинства просвечивающих минералов порошок белый или слабо окрашенный. Для определения цвета порошка минералом проводят по шероховатой поверхности фарфоровой пластинки, называемой бисквитом, на которой остается черта, соответствующая цвету порошка; если твердость минерала больше твердости бисквита, на последнем остается царапина.
Прозрачность, характеризующая способность минерала пропускать свет, зависит от его кристаллической структуры, а также от характера и однородности минерального скопления. По этому признаку выделяют минералы: непрозрачные, не пропускающие световых лучей; прозрачные, пропускающие свет подобно обычному стеклу; полупрозрачные или просвечивающие, пропускающие свет подобно матовому стеклу; просвечивающие лишь в тонкой пластинке. Агрегаты многих минералов на глаз кажутся непрозрачными.
Блеск зависит от показателя преломления минерала и от характера отражающей поверхности. Выделяют минералы с металлическим блеском, к которым относятся непрозрачные минералы, имеющие темноокрашенную черту. Блеск, напоминающий блеск потускневшего металла, называют металловидным (полуметаллическим). Значительно более обширную группу составляют минералы с неметаллическим блеском, к разновидностям которого относятся: алмазный, стеклянный, жирный, перламутровый, шелковистый, восковой и, в случае отсутствия блеска, матовый.
Механические свойства минералов . Излом определяется поверхностью, по которой раскалывается минерал. Она может напоминать ребристую поверхность раковины - раковистый излом, может иметь неопределенно-неровный характер - неровный излом. В мелкозернистых агрегатах определить излом отдельных минеральных зерен не удается; в этом случае полезно описать излом агрегата - зернистый, занозистый или игольчатый, землистый.
Спайность - способность кристаллических минералов раскалываться по ровным поверхностям - плоскостям спайности, соответствующим направлениям наименьшего сцепления частиц в кристаллической структуре минерала (рис. 2.1,б). В зависимости от того, насколько легко образуются сколы по плоскостям и насколько они выдержаны, выделяют различные степени спайности: весьма совершенная - минерал легко расщепляется на тонкие пластинки, совершенная - минерал при ударе раскалывается по плоскостям спайности, средняя спайность - при ударе минерал раскалывается как по плоскостям, так и по неровному излому; несовершенная спайность - на фоне неровного излома лишь изредка образуются сколы по плоскостям; весьма несовершенная спайность - всегда образуется неровный или раковистый излом. Макроскопически две последние степени различить, обычно не удается. Спайность может быть выражена в одном, двух, трех, реже четырех и шести направлениях. Если спайность выражена в нескольких направлениях, необходимо определить взаимное расположение плоскостей спайности, оценивая приблизительно угол, образуемый ими.
Твердость - способность противостоять внешнему механическому воздействию - важное свойство минералов. Обычно в минералогии определяется относительная твердость путем царапанья эталонными минералами поверхности исследуемого минерала: более твердый минерал оставляет на менее твердом царапину. В принятую "шкалу твердости" (табл. 2.2) входят десять минералов, расположенных в порядке увеличения твердости: первый минерал - тальк обладает самой низкой твердостью, принятой за единицу (1), последний- алмаз имеет самую высокую твердость, принятую за десять (10). Для определения твердости минералов можно пользоваться некоторыми распространенными предметами, твердость которых близка к твердости минералов - эталонов. Так, твердостью 1 обладает графит мягкого карандаша; около 2-2,5 - ноготь; 4 - железный гвоздь;5 - стекло; 5,5-6 - стальной нож, игла. Более твердые минералы встречаются редко.
Для каждого минерала характерна более или менее постоянная плотность. Для минералов, в состав которых входят тяжелые металлы, высокая плотность является существенным диагностическим признаком.
При определении минералов надо фиксировать все перечисленные выше свойства, так как только их комплекс может дать правильный результат. Некоторым минералам присущи особые свойства, облегчающие их определение (см. ниже).
Классификация минералов и их описание. Количество известных в настоящее время минералов превышает 2000. Их можно группировать по разным признакам. В основе принятой в настоящее время классификации минералов лежат химический состав и структура. Большое внимание уделяется также генезису (греч. "генезис" - происхождение), что позволяет познавать закономерности распространения минералов в земной коре. Роль различных минералов в строении последней неодинакова: одни встречаются редко и представляют собой лишь незначительные и необязательные включения в горные породы; другие слагают основную массу пород, определяя их свойства; третьи, образующие локальные скопления или рассеянные в породах, представляют интерес как полезные ископаемые. Ниже рассматриваются лишь наиболее широко распространенные минералы, принадлежащие к классам самородных элементов, сульфидов, галоидных соединений, оксидов и гидроксидов, карбонатов, сульфатов, фосфатов и силикатов.
Классы самородных элементов и сульфидов . Минералы этих классов не относятся к породообразующим, но многие из них являются ценными полезными ископаемыми.
Из наиболее распространенных минералов первого класса можно назвать серу S, возникающую в процессе возгонки паров при вулканических извержениях, а также в поверхностных условиях при химических изменениях минералов классов сульфидов и сульфатов и биогенным путем. Используется в химической промышленности для получения серной кислоты, в сельском хозяйстве и в ряде других отраслей.
Графит С связан преимущественно с процессами метаморфизма. Широко применяется в металлургии, для производства электродов и др. К этому же классу относятся такие ценные минералы, как алмаз, золото, платина и др.
К классу сульфидов принадлежат многочисленные минералы - руды металлов.
Галенит, или свинцовый блеск PbS,- встречается в виде кристаллических агрегатов, реже - отдельных кристаллов и их сростков. Сингония кубическая. Цвет свинцово-серый; черта серовато-черная, блестящая; блеск металлический; непрозрачный; спайность совершенная в трех взаимно перпендикулярных направлениях, т.е. параллельно граням куба; твердость 2,5; плотность 7,5.
Сфалерит, или цинковая обманка ZnS, - встречается в виде кристаллических агрегатов, реже сростков кристаллов кубической сингонии. Цвет бурый, редко бесцветный, примесями железа бывает окрашен в черный; черта желтая, бурая; блеск алмазный, металловидный; просвечивает; спайность совершенная в шести направлениях параллельно граням ромбического додекаэдра; твердость 3,5-4; плотность около 4.
Месторождения галенита и сфалерита, руд свинца и цинка в СССР многочисленны, например, на Северном Кавказе, в Средней Азии, Забайкалье.
Одним из наиболее распространенных минералов класса сульфидов является пирит FeS 2 . Образует агрегаты разной зернистости, часто встречаются вкрапленные в породы кубические кристаллы, несущие на гранях штриховку. Цвет золотисто-желтый; черта черная, зеленовато-черная; блеск металлический; излом неровный; спайность весьма несовершенная; твердость 6-6,5; плотность около 5. Используется для изготовления серной кислоты.
Происхождение минералов класса сульфидов связано главным образом с горячеводными растворами (гидротермальными). Они часто встречаются в кварцевых жилах вместе со многими минералами класса самородных элементов.
Класс галоидных соединений . К нему относятся минералы, представляющие соли фтористо-, бромисто-, хлористо-, йодистоводородных кислот. Наиболее распространенными минералами этого класса являются хлориды, образующиеся главным образом при испарении вод поверхностных бассейнов. Известны выделения хлоридов и из вулканических газов.
Галит NaCI - образует плотные кристаллические агрегаты, реже кристаллы кубической формы. Чистый галит бесцветный или белый, чаще окрашен в различные светлые цвета; блеск стеклянный; прозрачный или просвечивает; спайность совершенная в трех взаимно перпендикулярных направлениях, т.е. параллельно граням куба; твердость 2; плотность около 2. Гигроскопичен, соленый на вкус. Используется в пищевой промышленности, в химической для получения хлора, натрия и их производных. Основные месторождения СССР находятся на Украине, на Урале, в Донбассе и во многих других местах.
Сильвин КСl - близок по происхождению и по физическим свойствам к галиту, с которым часто образует единые агрегаты. Отличительный признак - горько-соленый вкус. Применяется в основном как сырье для калийных удобрений, в химической промышленности.
Фториды связаны преимущественно с гидротермальными, а также с магматическими и пневматолитовыми процессами (греч. "пневма" - дух, газ). В экзогенных условиях образуются редко. К ним относится флюорит, или плавиковый шпат - CaF 2 , встречающийся в виде зернистых скоплений, отдельных кристаллов и их сростков. Сингония кубическая. Цвет разнообразный, часто меняющийся в одном кристалле от бесцветного к желтому, зеленому, голубому, фиолетовому; блеск стеклянный; спайность совершенная в четырех направлениях параллельно граням октаэдра; твердость 4; плотность 3,18. Используется в металлургической, химической, керамической промышленности, прозрачные разновидности- в оптике. Основные месторождения СССР в Забайкалье и в Средней Азии.
Класс оксидов и гидроксидов . По количеству входящих в него минералов занимает одно из первых мест: на его долю приходится около 17% всей массы земной коры. Из них около 12,5% составляют оксиды кремния и 3,9% - оксиды железа. Минералы этого класса образуются как в эндогенных, так и в экзогенных условиях.
Кварц Si0 2 - широко распространенный в земной коре породообразующий минерал. Основой его структуры является кремнекислородный тетраэдр ,-один из наиболее распространенных в земной коре минералов, участвующих в строении как осадочных, так и метаморфических пород. Встречается в виде кристаллических и скрытокристаллических агрегатов различной плотности, в пустотах в виде разнообразных натечных форм, кристаллов и их сростков. Цвет разнообразный - от бесцветного и белого, изредка до черного; блеск стеклянный, на отдельных участках перламутровый; прозрачный или просвечивающий (бесцветные прозрачные кристаллы кальцита, обладающие двулучепреломлением, называются исландским шпатом); твердость 3; плотность 2,7; бурно реагирует ("вскипает") с соляной кислотой. Применение разнообразно: в строительстве, в металлургической и химической промышленностях, как поделочный камень, исландский шпат - в оптике. Месторождения многочисленны.
Доломит CaMg[СO 3 ] 2 - распространенный минерал, образующий кристаллические и землистые агрегаты. От кальцита отличается несколько большей твердостью 3,5-4 и плотностью 2,9, а главное, реакцией с соляной кислотой, которая идет только с порошком доломита. Используется в металлургии и строительстве. Распространен широко.
Реже встречается сидерит Fе [СО 3 ], слагающий кристаллические и землистые агрегаты, образующий округлые конкреции и оолиты. Цвет желтовато-белый, буровато-серый; твердость 3,5-4,5; плотность 4. Реагирует только с подогретой соляной кислотой. Является важной железной рудой. Крупные месторождения СССР на Южном Урале.
Минералы класса сульфатов осаждаются в поверхностных водоемах, образуются при окислении сульфидов и серы в зонах выветривания, реже связаны с вулканической деятельностью.
Ангидрит Ca-образует плотные мелкокристаллические скопления. Сингония ромбическая. Цвет белый, часто с голубым или серым оттенком; блеск стеклянный, перламутровый; прозрачен, чаще просвечивает; спайность совершенная в одном направлении и средняя в двух, расположенных под углом 90 o ; твердость 3,5; плотность 3,0. Используется для производства цемента, для поделок. В СССР следует отметить месторождения на Украине.
Наиболее распространенным минералом класса сульфатов является гипс Ca . 2H 2 O, встречающийся в виде мелкокристаллических и землистых агрегатов, отдельных кристаллов и их сростков. Сингония моноклинная. Обычно белый, бывает окрашен в светлые тона; блеск стеклянный, перламутровый, шелковистый; прозрачный или просвечивает; спайность в одном направлении весьма совершенная, в другом средняя; твердость 2; плотность 2,3. Используется в строительстве, в химической промышленности, медицине и др. Месторождения многочисленны, например Урал, Северный Кавказ.
Класс фосфатов . Наиболее распространенным минералом является апатит Са 5 [РO 4 ] 3 (F,ОН,Cl) (содержание фтора, хлора и гидроксильной группы колеблется). Встречается в виде кристаллических агрегатов и отдельных кристаллов гексагональной сингонии. Цвет бесцветный, чаще бледно-зеленый и зеленовато-голубой; блеск на гранях стеклянный, на изломе жирный; излом неровный; спайность несовершенная; твердость 5; плотность 3,2. Происхождение магматическое. Широко используется для производства удобрения и в химической промышленности. Крупные месторождения СССР в Хибинах, в Прибайкалье.
В поверхностных условиях возникает скрытокристаллический минерал того же состава - фосфорит. Образует землистые агрегаты, конкреции, псевдоморфозы по органическим остаткам. Цвет серый до темно-бурого; при трении выделяет специфический запах. Обычно содержит примесь песчаных и глинистых частиц, представляя собой уже породу. Образуется в бассейнах в результате жизнедеятельности и последующей переработки организмов. Используется, как и апатит, для производства удобрений и в химической промышленности. Месторождения СССР многочисленны в европейской части, в Казахстане и др.
Класс силикатов . Минералы этого класса широко распространены в земной коре (свыше 78%). Они образуются преимущественно в эндогенных условиях, будучи связаны с различными проявлениями магматизма и с метаморфическими процессами. Лишь немногие из них возникают в экзогенных условиях. Многие минералы этого класса являются породообразующими магматических и метаморфических горных пород, реже осадочных.
Силикаты характеризуются сложным химическим составом и внутренним строением. В основе их структуры лежит кремнекислородный тетраэдр (см. рис. 2.2), в центре которого находится ион кремния Si 4+ , а в вершинах - ионы кислорода О 2- , которые создают четырехвалентный радикал 4- . Частичная замена четырехвалентных ионов кремния трехвалентными ионами алюминия приводит к возникновению у такого соединения некоторого дополнительного отрицательного заряда. Минералы с подобным строением называются алюмосиликатами. Примером минерала силиката является оливин - (Mg,Fe) 2 , алюмосиликата-ортоклаз K. Кремнекислородные и алюмокремнекислородные тетраэдры в пространстве могут различно сочетаться друг с другом, что определяет кристаллическую структуру минералов и лежит в основе их современной классификации. Например, оливин относится к островным силикатам, и его структура представляет изолированный тетраэдр 4- , присоединяющий ионы железа и магния (см. рис. 2.2).
Тетраэдры могут образовывать цепочечные, ленточные и слоевые структуры с соответствующими радикалами (рис. 2.3). Трехмерно соединяясь в пространстве через ионы кислорода, кремнекислородные тетраэдры создают структуру, называемую каркасной. Отрицательный заряд алюмокремнекислородных тетраэдров обеспечивает присоединение к каркасной структуре катионов и образование каркасных алюмосиликатов. К ним относятся, например, полевые шпаты.
Внутренняя структура силикатов и алюмосиликатов в значительной степени обусловливает их свойства: минералы с островной структурой, характеризующейся плотной упаковкой ионов, часто образуют изометричные кристаллы, обладают большой твердостью, плотностью и несовершенной спайностью. Минералы с линейно вытянутыми структурами (цепочечными и ленточными) образуют призматические кристаллы, обладающие хорошо выраженной спайностью в двух направлениях вдоль длинной оси структуры. Минералы с слоевой структурой образуют таблитчатые кристаллы с весьма совершенной спайностью, параллельной "слоям" структуры.
Островные силикаты. Оливин, или перидот, (Mg,Fe) 2 , член изоморфного 2 ряда минералов форстерит (бесцветный) Mg 2 и фаялит (черный) Fe 2 . Встречается обычно в виде зернистых агрегатов или отдельных зерен, вкрапленных в породы. Сингония ромбическая.
Цвет желто-зеленый, оливковый до черного; блеск на гранях стеклянный, на изломе часто жирный; слабо просвечивает; излом неровный, иногда раковистый; спайность средняя и несовершенная; твердость 6,5-7; плотность 3,2-3,5. Разновидности, содержащие мало железа, употребляются для изготовления огнеупорного кирпича, хризолит (желто-зеленая разновидность) - драгоценный камень. Породы, богатые оливином, встречаются на Урале, Кавказе и др.
Цепочечные и ленточные силикаты и алюмосиликаты. Цепочечной структурой обладают минералы группы пироксенов, а ленточной - амфиболов. Они близки по свойствам, но пироксены образуют относительно короткие восьмигранные призматические кристаллы и углы между направлениями спайности у них составляют 87 o (93 o). Минералам группы амфиболов свойственны длинностолбчатые, игольчатые или волокнистые шестигранные кристаллы, спайность у них более совершенная и ее плоскости располагаются под углом 124 o (56 o) друг к другу.
В качестве примера минералов группы пироксенов рассмотрим гиперстен (силикат) и авгит (алюмосиликат).
Гиперстен (Fe,Mg) 2 относится к сравнительно бедным оксидом кремния пироксенам и представляет собой изоморфную смесь молекул Mg 2 и Fe 2 . Присутствует главным образом в ультраосновных и основных магматических породах. Сингония моноклинная (псевдоромбическая). Цвет серовато-черный с зеленоватым оттенком, коричневато-зеленый; блеск стеклянный, иногда металловидный; твердость 5,5-6; плотность 3,4-3,5.
Авгит (Ca,Na) (Mg,Fe 2+ ,A,Fe 3+) [(Si,Al) 2 O 6 ] встречается в кристаллических агрегатах, реже в виде короткостолбчатых кристаллов моноклинной сингонии. Цвет зеленовато-черный и черный; блеск стеклянный; твердость 5-6,5; плотность 3,2-3,6.
Одним из наиболее распространенных минералов группы амфиболов является роговая обманка (Ca,Na) 2 (Mg,Fe 2+) 4 (Al,Fe 3+) (OH) 2 [(Si,Al) 4 O 11 ] 2 . По свойствам близка к авгиту, отличаясь формой кристаллов и взаимным расположением плоскостей спайности (см. выше), а также несколько меньшей плотностью-3,1-3,4.
К листовым (слоевым) силикатам и алюмосиликатам относится большое количество минералов, из которых многие являются породообразующими магматических, метаморфических и глинистых осадочных горных пород. Кристаллизуются в моноклинной сингонии. Обладают весьма совершенной спайностью в одном направлении, параллельном "листам" кристаллической структуры, и небольшой твердостью (1-4).
Наиболее распространенными минералами этой структурной группы являются слюды, зерна которых встречаются во многих магматических и метаморфических породах; в жилах отдельные кристаллы слюд достигают в сечении нескольких квадратных метров. Происхождение магматическое, гидротермальное, метаморфическое.
Биотит K(Mg,Fe) 3 (OH,F) 2 . Цвет черный, бурый, иногда зеленоватый; блеск стеклянный, местами перламутровый; твердость 2-3; плотность 3-3,2. Как у всех слюд, листочки, отделяющиеся по спайности, упругие.
Мусковит 3 KAl 2 (OH) 2 по многим свойствам близок к биотиту, но имеет почти бесцветную окраску со светло-розовым или серым оттенком, прозрачен в тонких листочках; плотность 2,7-3,1. Используется в электропромышленности, радиотехнике, приборостроении, для изготовления огнестойких строительных материалов, красок, смазочных материалов и др. Наиболее крупные месторождения СССР в Карелии, Восточной Сибири.
При гидротермальных процессах и метаморфизме основных и ультраосновных магматических пород (см. ниже), а также карбонатных осадочных пород образуются многие минералы той же структурной группы. Ниже остановимся на наиболее распространенных из них.
Тальк Mg 3 (OH) 2 образует кристаллические агрегаты, реже отдельные крупные кристаллы и их сростки. Цвет белый, светло-зеленый; блеск стеклянный, перламутровый, у плотных мелкозернистых агрегатов матовый; листочки, отделенные по спайности, гибкие, неупругие; твердость 1 (на ощупь жирный); плотность 2,8. Широко используется как огнеупорный материал, при изготовлении изоляторов, в парфюмерии и пр. Крупные месторождения СССР на Урале, в Восточном Саяне.
Серпентин (змеевик) Mg 6 (OH) 8 встречается обычно в виде плотных скрытокристаллических разностей. Тонковолокнистая разновидность называется хризо-асбестом. Цвет светло-зеленый, желто-зеленый до черного, часто пятнистый, у хризо-асбеста золотистый, отдельные волокна белые; блеск стеклянный, жирный, у хризо-асбеста шелковистый; твердость 2-4; плотность 2,5-2,7. Хризо-асбест используется для изготовления огнестойких и теплоизоляционных материалов. Месторождения в СССР на Урале, в Саянах и др.
Хлориты-минералы, представляющие собой изоморфный ряд соединений состава Мg 6 (ОН) 8 и Mg 4 Al 2 (OH) 8 (Al 2 Si 2 O 10 ], в которых Mg 2+ и А1 3+ могут замещаться соответственно Fe 2+ и Fe 3+ . Название этих минералов связано с их зеленой до зелено-черной окраской. Встречаются обычно в виде плотных кристаллических агрегатов, реже в виде отдельных кристаллов. Блеск стеклянный, местами перламутровый; листочки отделяющиеся по спайности, гибкие неупругие; твердость 2-3; плотность 2,6-2,9.
К листовым силикатам относится ряд минералов осадочного происхождения, образующихся при выветривании преимущественно магматических и метаморфических пород. Составляют основную часть глинистых пород. Из этих минералов наибольшим распространением пользуется каолинит Al 4 (OH) 8 , образующий землистые агрегаты. Цвет белый; блеск агрегатов матовый; излом землистый; твердость 1 (на ощупь жирный); плотность 2,6; легко поглощает влагу, намокая, становится пластичным. Употребляется в керамическом производстве, строительном деле, бумажной промышленности и др. Месторождения в СССР многочисленны: на Украине, Урале, Кавказе и в других местах.
В неглубоких морских бассейнах образуется глауконит K(Fe,Al,Mg) 3 (OH) 2 . H 2 0 (воды до 5-13%), относимый к гидрослюдам. Встречается в виде мелких зернышек неправильной формы (песчинок) или в виде мелкорассеянного цемента в песчаных и глинистых осадочных породах. Цвет зеленый до темно-зеленого; блеск обычно матовый; твердость 2-3; плотность 2,2-2,8.
Из каркасных алюмосиликатов рассмотрим минералы группы полевых шпатов и один минерал, относящийся к фельдшпатоидам. Почти все они характеризуются сравнительно светлой окраской, просвечивают по краю, твердость их около 6; плотность 2,5-2,75.
Минералы группы полевых шпатов пользуются широким распространением в земной коре, составляя в ней около 50 %. Являются породообразующими многих магматических и метаморфических горных пород. В трещинах образуют крупные кристаллы. Для всех полевых шпатов характерна спайность совершенная или средняя в двух направлениях под углом, близким к 90 o . По химическому составу полевые пшаты делятся на две подгруппы: 1) калиевые (калинатровые, или щелочные) полевые шпаты; 2) известково-натровые (кальциево-натровые) полевые шпаты, или плагиоклазы, представляющие непрерывный изоморфный ряд Na и Са .
Из первой подгруппы наиболее распространен ортоклаз К[А1Si 3 О 8 ]. Высокотемпературная его разновидность называется санидином. Кристаллизуется в моноклинной сингонии. Цвет от бесцветного (санидин), белого, светло-серого до разных оттенков розового и красно-желтого; спайность в двух направлениях под углом 90 o (отсюда и название минерала - прямоколющийся).
Минерал того же состава, но кристаллизующийся в триклинной сингонии, называется микроклином. В отличие от ортоклаза у него угол между плоскостями спайности на 20" меньше прямого. По внешним признакам микроклин неотличим от ортоклаза, и только его голубовато-зеленая разновидность - амазонит - по цвету легко отличается от других полевых шпатов.
Калиевые полевые шпаты (особенно микроклин) из пегматитовых жил используются в керамической и стекольной промышленности.
В подгруппу плагиоклазов входят минералы, представляющие, как сказано выше, изоморфный ряд, в котором происходит сложное замещение разновалентных ионов Na 1+ - Са 2+ и А1 3- - Si 4+ , что приводит к уменьшению содержания оксида кремния от чисто натриевого минерала альбита к кальциевому анортиту. Между ними располагаются олигоклаз, андезин, лабрадор, битовнит, в которых последовательно увеличивается содержание кальциевой составляющей и соответственно убывает количество натриевой, что сопровождается уменьшением содержания оксида кремния. Среди плагиоклазов по количеству оксида кремния выделяют кислые, средние и основные минералы (табл. 2.3).
Плагиоклазы кристаллизуются в триклинной сингонии, по свойствам близки друг к другу и макроскопически обычно не разделяются. Исключение составляет лабрадор, у которого на сером фоне хорошо видны синие и зеленые переливы - иризация.
Плагиоклазы макроскопически мало отличаются и от калиевых полевых шпатов. Иногда их можно различить по окраске: плагиоклазы преимущественно белые, серые, зеленовато-серые, калиевые полевые шпаты белые, светло-серые, розовые и желтые разных оттенков. Существует также различие в угле между плоскостями спайности, который у плагиоклазов меньше прямого - 86-87 o , откуда и происходит название минералов (плагиоклаз-косоколющийся). Однако такое отклонение от прямого угла макроскопически не фиксируется. Плагиоклазы часто, но не всегда образуют полисинтетические двойники, которые заметны на плоскостях спайности в виде тонкой параллельной штриховки или полосчатости (двойниковая штриховка). Макроскопически часто удается установить лишь принадлежность минерала к группе полевых шпатов без более точного их определения.
Минералы группы фельдшпатоидов содержат по сравнению с полевыми шпатами меньше кремнезема и относительно больше щелочей и поэтому замещают полевые шпаты в щелочных магматических породах (см. ниже). Наиболее распространенным минералом этой группы является нефелин KNa 3 4 . Сингония гексагональная. Бесцветный, чаще серый, красновато-серый до коричневого и мясо-красного, цвет часто меняется в одном куске; блеск на гранях стеклянный, на изломе жирный; излом неровный; спайность несовершенная; твердость 5,5-6; плотность 2,6. Используется в керамической, стекольной промышленности и для добычи алюминия. Крупные месторождения в СССР на Кольском полуострове, на Урале.
При изучении минералов важно выяснить условия их образования и характер минеральных скоплений. Это позволяет устанавливать парагенетические ассоциации минералов, т.е. совместное нахождение минералов, образующихся на той или иной стадии одного и того же процесса в сходных физико-химических условиях.
2 Явление изоморфизма заключается в том, что некоторые атомы, ионы или их группы, обладающие близкими радиусами и поляризационными свойствами, могут замещать друг друга в кристаллической структуре, не вызывая ее изменений.
3 Мелкокристаллическая разновидность его называется серицитом.
Наиболее распространенные магматические породы. Нормальный ряд. Ультраосновные породы (гипербазиты, или ультра-мафиты) в строении земной коры играют незначительную роль, причем особенно редки эффузивные аналоги этой группы (пикриты и пикритовые порфириты). Все ультраосновные породы обладают большой плотностью (3,0-3,4), обусловленной их минеральным составом (см. выше).
Дуниты - глубинные породы, обладающие полнокристаллической обычно мелко- и среднезернистой структурой. Состоят на 85- 100% из оливина, который обусловливает их темно-серую, желто-зеленую и зеленую окраску. В результате вторичных изменений оливин часто переходит в серпентин и магнетит, что придает породам темно-зеленый и черный цвет. В этом случае зернистая структура становится практически невидимой. Для выветрелой поверхности характерна вторичная бурая корка гидроокислов железа.
Перидотиты - наиболее распространенные из ультраосновных глубинных пород. Обладают полнокристаллической средне- или мелкозернистой, порфировидной и скрытокристаллической структурой. Состоят из оливина (70-50%) и пироксенов. Темно-зеленые или черные, что обусловливается цветом оливина или вторичного серпентина. На этом фоне выделяются более крупные вкрапленники пироксенов, хорошо заметные по стеклянному блеску на плоскостях спайности.
Пироксениты - глубинные породы, обладающие полнокристаллической, крупно- или среднезернистой структурой. Состоят главным образом из пироксенов, придающих породам зеленовато-черный и черный цвет; в меньшем количестве (до 10-20%) присутствует оливин. По содержанию окиси кремния пироксениты относятся к основным и даже средним породам, но отсутствие полевых шпатов позволяет относить их к ультраосновным.
Ультраосновные породы слагают массивы разных размеров, образуя согласные тела и секущие жилы. С ними связаны месторождения многих ценных минералов и руд, таких, как платина, хром, титан и др.
Главными породообразующими минералами основных пород являются пироксены и основные плагиоклазы. Могут присутствовать оливин и роговая обманка. В качестве второстепенных с ними связан также ряд рудных минералов, таких, как магнетит, титаномагнетит и др. Большое количество цветных минералов придает породам темную окраску, на фоне которой выделяются светлые вкрапленники плагиоклазов. Основные породы широко распространены в земной коре, особенно их эффузивные разновидности (базальты).
Габбро - глубинные породы с полнокристаллической средне- и крупнозернистой структурой. Из цветных наиболее типичными минералами являются пироксены (до 35-50%), реже встречаются роговая обманка и оливин. Светлые минералы представлены основными плагиоклазами. Разновидность габбро, состоящая почти целиком из плагиоклазов, называется анортозитом. Если этим плагиоклазом является Лабрадор, порода называется лабрадоритом. Эффузивными аналогами габбро являются базальты (долериты).
Базальты - черные или темно-серые породы, обладающие афанитовой или порфировой структурой. На стекловатом фоне основной массы выделяются очень мелкие порфировые вкрапленники плагиоклазов, пироксенов, иногда оливина. Текстура массивная, часто пористая. Долериты - излившиеся породы того же состава, но с мелкозернистой полнокристаллической структурой. Базальты залегают в виде потоков и покровов, нередко достигающих значительной мощности и покрывающих большие пространства как на континентах, так и на дне океанов.
Средние породы характеризуются большим содержанием светлых минералов, чем цветных, из которых наиболее типична роговая обманка. Такое соотношение минералов определяет общую светлую окраску породы, на фоне которой выделяются темноокрашенные минералы.
Диориты - глубинные породы, обладающие полнокристаллической структурой. Светлые минералы, составляющие около 65-70%, представлены главным образом средним плагиоклазом, придающим породам светло-серую или зеленовато-серую окраску. Из темноцветных чаще всего присутствует роговая обманка, реже пироксены. В небольших количествах могут встречаться кварц, ортоклаз, биотит, однако при макроскопическом изучении они практически не могут быть обнаружены. Если количество кварца достигает 5-15%, породы называются кварцевыми диоритами. Диориты и кварцевые диориты встречаются в массивах гранитов и габбро, а также образуют небольшие отдельные тела типа жил, штоков, лакколитов.
Излившимися аналогами диоритов являются андезиты, обладающие обычно порфировой структурой. Основная скрытокристаллическая или очень мелкокристаллическая масса, содержащая стекло, имеет светло-серый или светло-бурый цвет. На ее фоне выделяются блестящие светло-серые вкрапленники плагиоклазов и черные - роговой обманки и пироксенов. Текстура массивная, часто пористая.
Для всех кислых пород характерно наличие кварца. Кроме того, в значительных количествах присутствуют полевые шпаты - калиевые и кислые плагиоклазы. Из цветных характерны биотит и роговая обманка, реже пироксены. В этой группе наиболее широко развиты интрузивные породы.
Граниты - глубинные породы, обладающие полнокристаллической, обычно среднезернистой, реже крупно- и мелкозернистой структурой. Породообразующие минералы-кварц (около 25-35%), калиевые полевые шпаты (35-40%) и кислые плагиоклазы (около 20-25%), из цветных - биотит, в некоторых разностях частично замещающийся мусковитом, реже роговая обманка, еще реже пироксены. Если содержание кварца в породе не превышает 15-25%, а из полевых шпатов преобладают плагиоклазы и увеличивается количество темноцветных, порода называется гранодиоритом. Граниты - самая распространенная интрузивная порода. Они слагают огромные тела на щитах и в складчатых областях, а также мелкие секущие интрузии.
Излившимися аналогами гранитов являются липариты (риолиты), аналогами гранодиоритов - дациты.
Липариты имеют порфировую структуру - в светлой, часто белой, обычно стекловатой, реже афанитовой основной массе вкраплены редкие мелкие кристаллические зерна калиевых полевых шпатов (обычно санидина) и еще более редкие плагиоклазов и кварца, очень редко темноцветных. В дацитах во вкрапленниках преобладают кислые плагиоклазы, однако, макроскопически это не определяется.
Кислые породы со стекловатой структурой, представляющие однородную аморфную массу серой, до черной, иногда буро-красной окраски, в зависимости от содержания воды называются обсидианами (при содержании воды до 1%) и пехштейнами (при большем количестве воды, около 6-10%). Первые имеют стеклянный блеск и раковистый излом, у вторых блеск смоляной. Если стекловатая порода имеет пористую текстуру, она называется пемзой, обладающей очень низкой плотностью (плавает на воде).
Щелочной ряд. Щелочные породы в земной коре встречаются реже пород нормального ряда. Среди них выделяют породы с фельдшпатоидами и без них, но и те и другие характеризуются относительно повышенным содержанием щелочных минералов. Примером щелочных пород без фельдшпатоидов являются сиениты - средние глубинные породы, главными породообразующими минералами которых являются калиевые полевые шпаты (более 30%), меньшую роль играют средние или кислые плагиоклазы и темноцветные минералы (роговая обманка, биотит, реже пироксены). В небольших количествах (до 5%) может присутствовать кварц. Калиевые полевые шпаты обусловливают преимущественно розовый, серовато-желтый цвет пород. Структура полнокристаллическая, часто среднезернистая, порфировидная. Сиениты встречаются довольно редко в виде небольших секущих тел, чаще сопровождают кислые и основные интрузии. Излившиеся аналоги сиенитов - трахиты - также редки.
В качестве примера пород с фельдшпатоидами рассмотрим нефелиновые сиениты - средние глубинные породы, обладающие полнокристаллической, обычно крупнозернистой структурой. В них преобладают светлые минералы (70% и более), представленные щелочными полевыми шпатами (ортоклазом, микроклином, альбитом) и нефелином. Из темноцветных присутствуют железистые разности биотита, щелочные амфиболы и пироксены. Нефелиновые сиениты образуют обычно небольшие секущие тела типа штоков. Излившиеся аналоги нефелиновых сиенитов - фонолиты - встречаются еще реже.
Жильные и вулканогенно-обломочные породы формируются при застывании магматических расплавов в трещинах, рассекающих как магматические, так и вмещающие породы. Для жильных пород характерна полнокристаллическая структура, обычно мелкозернистая, часто порфировидная. Встречаются породы и с очень крупнозернистой структурой, обусловленной составом магмы и условиями ее кристаллизации. По минеральному составу могут соответствовать интрузивным породам любой кислотности. Среди жильных пород выделяются нерасщепленные (асхистовые) и расщепленные (диасхистовые) породы. Минеральный состав первых аналогичен составу глубинных пород интрузий, с которыми они связаны (материнских интрузий), отличаясь лишь структурой. Если структура мелко- или микрозернистая, это отражается в названии породы, например жильный гранит или микрогранит. Если структура жильной породы порфировидная, к названию соответствующей глубинной породы прибавляется слово порфир (для пород с калиевыми полевыми шпатами) или порфирит (для плагиоклазовых пород) - гранит-порфиры, диорит-порфириты и др.
Расщепленные породы с преобладанием светлых минералов называются аплитовыми (лейкократовыми), а темноцветных -лампрофировыми (меланократовыми). Для светлых пород с крупной (до гигантской) зернистой структурой используется название пегматиты. Наибольшим распространением пользуются кислые пегматиты. Они состоят преимущественно из полевых шпатов и кварца, а также слюд со взаимным прорастанием кристаллов.
Вулканогенно-обломочные (пирокластические) породы являются результатом скопления выброшенного при вулканических взрывах и затем осевшего материала. В зависимости от размера и условий извержения частицы разносятся от места взрыва на большее или меньшее расстояния - от нескольких километров до многих сотен и тысяч километров. Осаждающийся на поверхности Земли материал образует рыхлые скопления, которые в зависимости от размеров обломков называются вулканическим пеплом при пылеватых размерах частиц, вулканическим песком при песчаной размерности обломков; обломки более крупные называются лапиллями (камушками) и вулканическими бомбами, достигающими нескольких метров в поперечнике. Весь рыхлый пирокластический материал называется тефрой. В последующем обломки различными путями цементируются и образуются крепкие породы - вулканические туфы и агломераты или вулканические брекчии (при больших размерах обломков), а также лавовые брекчии (при лавовом цементе).
Магматические породы широко применяются в различных отраслях строительства. С разными их группами связаны различные комплексы металлических полезных ископаемых. К ультраосновным породам приурочены руды платины, железа, хрома, никеля. Основные породы сопровождаются месторождениями магнетита, титаномагнетита, ильменита, медных и полиметаллических руд; средние - магнетита, халькопирита, золота и др.; кислые породы содержат золото, цветные, редкие, радиоактивные металлы. Нефелиновые сиениты используются как руда на алюминий. Определенные связи устанавливаются также между составом магматических пород и неметаллическими полезными ископаемыми. Например, ультраосновные породы часто сопровождаются скоплениями талька, асбеста, кислые -мусковита, флюорита, щелочные - нефелина, апатита, корунда и др.
Осадочные горные породы. На поверхности Земли в результате действия различных экзогенных факторов образуются осадки, которые в дальнейшем уплотняются, претерпевают различные физико-химические изменения - диагенез, и превращаются в осадочные горные породы. Осадочные породы тонким чехлом покрывают около 75% поверхности континентов. Многие из них являются полезными ископаемыми, другие - содержат таковые.
Среди осадочных пород выделяют три группы:
- обломочные породы, возникающие в результате механического разрушения каких-либо пород и накопления образовавшихся обломков;
- глинистые породы, являющиеся продуктом преимущественно химического разрушения пород и накопления возникших при этом глинистых минералов;
- химические (хемогенные) и органогенные породы, образовавшиеся в результате химических и биологических процессов.
При описании осадочных горных пород так же, как и магматических, следует обращать внимание на их минеральный состав и строение. Первый является определяющим признаком для химических и органогенных пород, а также глинистых при микроскопическом их изучении. В обломочных породах могут присутствовать обломки любых минералов и горных пород.
Важнейшим признаком, характеризующим строение осадочных пород, является их слоистая текстура. Образование слоистости связано с условиями накопления осадков. Любые перемены этих условий вызывают либо изменение состава отлагающегося материала, либо остановку в его поступлении. В разрезе это приводит к появлению слоев, разделенных поверхностями напластования и часто различающихся составом и строением. Слои представляют собой более или менее плоские тела, горизонтальные размеры которых во много раз превышают их толщину (мощность). Мощность слоев может, достигать десятков метров или не превышать долей сантиметра. Изучение слоистости дает большой материал для познания палеогеографических условий, в которых формировалась изучаемая осадочная толща. Например, в морях на удалении от берега, в условиях относительно спокойного режима движения воды образуется параллельная, первично горизонтальная слоистость (рис. 2.4), в прибрежно-морских условиях - диагональная, в потоках морских и речных - косая (рис. 2.5) и т.д. Важным текстурным признаком осадочных пород является также пористость, характеризующая степень их проницаемости для воды, нефти, газов, а также устойчивость под нагрузками. Невооруженным глазом видны лишь относительно крупные поры; более мелкие легко обнаружить, проверив интенсивность поглощения породой воды. Например, породы, обладающие тонкой, не видимой глазом пористостью прилипают к языку.
Структура осадочных пород отражает их происхождение - обломочные породы состоят из обломков более древних пород и минералов, т.е. имеют обломочную структуру; глинистые сложены мельчайшими не видимыми вооруженным глазом зернами преимущественно глинистых минералов - пелитовая структура; хемобиогенные обладают либо кристаллической структурой (от ясно видимой до скрытокристаллической), либо аморфной, либо органогенной, выделяемой в тех случаях, когда порода представляет собой скопление скелетных частей организмов или их обломков.
Наиболее распространенные осадочные горные породы. Обломочные породы. По величине обломков обломочные породы делятся на: грубообломочные породы (псефитовые), состоящие из обломков более 2 мм5 в поперечнике; среднеобломочные или песчаные породы (псаммитовые), состоящие из обломков от 2 до 0,05 мм в поперечнике, и мелкообломочные, или пылеватые породы (алевритовые), состоящие из обломков от 0,05 до 0,005 мм в поперечнике. В пределах каждого гранулометрического типа породы подразделяются по окатанности обломков, а также в зависимости от того, представляют ли эти обломки рыхлые скопления или скреплены (сцементированы) каким-либо цементом.
Обломочные породы характеризуются также и составом обломков. Однородные по составу породы часто состоят из обломков кварца как одного из наиболее устойчивых минералов. К породам смешанного состава относят, например, аркозовые породы, содержащие обломки продуктов разрушения гранитов: калиевых полевых шпатов, кислых плагиоклазов, меньше кварца и слюд. Если преобладают обломки средних, основных и ультраосновных магматических пород и слагающих их минералов, а также метаморфических сланцев и аргиллитов, обломочные породы называются граувакковыми.
Грубообломочные породы. В зависимости от формы и размеров обломков среди пород этого гранулометрического типа выделяют следующие: глыбы и валуны - соответственно угловатые и скатанные обломки размером свыше 200 мм в поперечнике; щебень и галька - при размерах обломков от 200 до 10 мм; дресва и гравий - при размерах обломков от 10 до 2 мм.
Грубообломочные породы, представляющие собой сцементированные неокатанные обломки, называются брекчиями и дресвяниками, сцементированные окатанные обломки - конгломератами и гравелитами.
Самая верхняя из твёрдых оболочек нашей планеты носит название земной коры; вместе с верхней мантией она образует литосферу. Граница между корой и верхней мантией, называемая поверхностью Мохоровичича, лежит под континентами на глубине в среднем ~ 50 км, тогда как под океанами толщина коры составляет всего 5-10 км. Верхнюю часть континентальной земной коры составляет осадочный чехол (педосфера), а вся остальная её толща разделяется на два слоя - гранитный и базальтовый (поверхность раздела между ними называют поверхностью Конрада).
Состав земной коры образовался, в основном, в результате высвобождения веществ из верхней мантии Земли. Состав этой оболочки эволюционировал во времени, прежде всего, за счет возгонки элементов из мантии в результате частичного плавления на глубине около 100 км. Глубина Земли составляет 6371 км; земной коры ~ 40 км, верхняя мантия ~ 40-70 км, нижняя мантия: 700-2900 км; внешнее ядро ~ 2900-5150 км; внутреннее ядро ~ 5150-6371 км. Более 92 % массы литосферы приходится на долю только 4-х элементов - железа, кислорода, кремния и магния. Земная кора по своему составу оказывается более обогащённой кислородом и кремнием. Эти элементы вместе с алюминием образуют самые распространённые в коре соединения - силикаты и алюмосиликаты. Примерно на 90 % масса земной коры образована силикатами алюминия, железа, кальция, магния, калия и натрия, а также оксидом кремния. Земная оболочка имеет толщину < 0,0001 % от объема планеты. Средний химический состав современной коры имеет следующий вид:
О - 46,6 %; Si - 27,7 %; Аl - 8,1 %; Fе - 5,0%; Са- 3,6 %; Nа - 2,8 %; К - 2,6 %; Мg - 2,1 %; прочие 1,4%.
Для характеристики распространённости химических элементов в земной коре известный геохимик А.Е. Ферсман предложил ввести понятие кларка - среднего значения относительного содержания химического элемента. Эта величина названа в честь американского учёного-химика, который в последние десятилетия XIX века наметил пути статистического изучения распространённости элементов. В более широком понимании кларк относят не только к земной коре, но и к другим глобальным (например, растительность континентов) и космическим системам. Различия в кларках химических элементов очень велики. Условно элементы делят на 2 группы: главные, с содержанием не менее 0,1 %, и рассеянные. К главным элементам (по мере убывания) в земной коре можно отнести следующие 10 химических элементов: О, Si, Al, Fe, К, Са, Na, Mg, Ti, Н. Они образуют самостоятельные химические соединения (минералы), а входящие во вторую группу преимущественно рассеяны в природных минералах. Особенность распределения рассеянных элементов в земной коре заключается в их способности образовывать скопления (месторождения), в которых их содержание в сотни и тысячи раз превышает кларковые. Среднее содержание рассеянного химического элемента в данном регионе формирует его геохимический фон. Участки с повышенной концентрацией элемента (по сравнению с региональной) называют геохимическими аномалиями или геохимическими провинциями.
Важной составляющей литосферы являются подземные воды. Вода присутствует в земной толще как в свободном виде, так и в связанной форме, а также различных агрегатных состояниях: в виде паров, жидкости и льда. Подземные воды представляют собой сложную физико-химическую систему, находящуюся в динамическом равновесии с вмещающими породами.
Свободные воды подземной гидросферы в той или иной степени минерализованы, и наиболее редкими (~ 2 %) оказываются пресные воды. В основном это грунтовые воды, непосредственно связанные с поверхностными источниками (реки, озёра, водохранилища). Общая минерализация их не превышает 1 г/л (1 ‰), а по составу они относятся к гидрокарбонатным. Как правило, грунтовые воды отличаются высоким (до 35 мг/л и более) содержанием растворённого органического вещества. Основной объём подземной гидросферы приходится на долю солёных (до 35 г/л) и рассольных (с минерализацией до 500-600 г/л) вод. Их формирование протекает в глубинных слоях осадочных пород в зонах медленного водообмена в течение сотен тысяч и миллионов лет. По составу они относятся главным образом к хлоридным. Промежуточное положение между пресными (грунтовыми и артезианскими) и солёными обычно занимают солоноватые воды с минерализацией до 10 г/л. Они образуют все основные классы - гидрокарбонатные, хлоридные и сульфатные. В сравнении с пресными грунтовыми, солоноватые воды содержат меньше растворённых газов атмосферного происхождения. По мере увеличения глубины залегания в подземных водах увеличивается концентрация газов глубинного генезиса (СО 2 , Не, СН 4 и др.)
Земная кора постоянно подвергается различного рода воздействиям как внутреннего (эндогенного), так и внешнего (экзогенного) характера. Движущей силой эндогенных процессов является внутренняя энергия Земли. Например, микробиологическое выщелачивание рассеянных элементов происходит не только путём окисления, но и при восстановлении окисленных руд. В нём принимают участие различные микроорганизмы. В частности, восстановление Fe 3+ до Fe 2+ и Мn 4+ до Мn 2+ осуществляется бактериями родов Bacillus и Pseudomonas. Экзогенные процессы протекают на поверхности Земли или на небольшой глубине в земной коре и обусловлены внешними силами: энергией солнечного излучения, силами гравитации, движущихся воды и льда, жизнедеятельностью организмов. Мощным экзогенным фактором, воздействующим на земную кору, стала в настоящее время деятельность человека. Если до 2-ой половины XX в. недра использовались почти исключительно для добычи полезных ископаемых и питьевого водоснабжения, то сейчас в них создают хранилища нефти и газа, ведут захоронение отходы химической и ядерной промышленности. Особенно сильное влияние на геодинамические и гидрологические процессы оказывают подземные ядерные взрывы.
Наиболее достоверные сведения о химическом составе земной коры относятся к ее континентальной части. При расчете химического состава земной коры принимают определенную пропорцию кислого (гранитного) и основного (базальтового) материала. А.П. Виноградов в 1962 г. считал, что, вероятнее всего земная кора представляет собой смесь кислых и основных пород в пропорции 2:1. А.Б. Ронов и А.А. Ярошевский расчетным путем определили это соотношение как примерно 4:1, А.А. Полдерват в 1955 г. допускал это соотношение как 1:1. Из приведенных данных следует, что расчеты состава земной коры носят приближенный характер. Средний химический состав земной коры является ее важной химической характеристикой, необходимой для выяснения ряда глобальных геохимических процессов. Вещество земной коры выделилось из мантии в результате выплавления, дегазации и выноса этих продуктов в верхние горизонты планеты (табл. 1).
Таблица 1. Химический состав земной коры по А.Б. Ронову и А.А. Ярошевскому, 1976 г.(в среднем, %)
Краткая характеристика горных пород
По своему происхождению горные породы разделяют на 3 большие группы:
1. Магматические (изверженные), возникшие при застывании на поверхности или в недрах земной коры магмы - особого силикатного расплава, насыщенного газами.
2. Осадочные, образовавшиеся путем осаждения неорганических и органических веществ на дне различных водоемов и на поверхности континентов.
3. Метаморфические, появившиеся в процессе изменения (перекристаллизации) осадочных и изверженных пород под влиянием повышенных температур и давлений.
Изверженные породы включают в состав (%): гранит (SiO 2 ~ 71, Al 2 O 3 ~ 14-15, Na 2 O ~ 3.3, K 2 O ~ 4.0, Fe 2 O 3 + Fe ~ 3.5, остальное: Н 2 О, СаО, ТiО 2 , МgО);
Базальт (SiO 2 ~ 49, Al 2 O 3 ~ 18, Fe 2 O 3 + Fe ~ 9, СаО ~ 11, МgО ~ 8, остальное: Н 2 О, ТiО 2 , Na 2 O, K 2 O).
Осадочные породы включают (%): а) глина (SiO 2 ~ 62; Al 2 O 3 ~ 17; Н 2 О ~ 5; Fe 2 O 3 + Fe ~ 5, остальное: СаО, ТiО 2 , МgО, K 2 O, Na 2 O, СО 2);
б) песчаник (SiO 2 ~ 94; Al 2 O 3 ~ 1,1; СаО ~ 1,1; остальное: Na 2 O 3 ; K 2 O; Fe 2 O 3 + Fe; Н 2 О, ТiО 2 , МgО).
в) известняк (SiO 2 ~ 5; СаО ~ 43; СО 2 ~ 42; остальное: до 100 %.
Метаморфические породы (%): а) амфиболиты (SiO 2 ~ 50; Al 2 O 3 ~ 17; МgО ~ 7; СаО ~ 9; Fe 2 O 3 + Fe ~ 10; все остальные соединения - до 100 %);
б) сланец (SiO 2 ~ 63; Al 2 O 3 ~ 18; Fe 2 O 3 + Fe ~ 6; СаО ~ 2; Fe 2 O 3 + Fe ~ 6; К 2 О ~ 3; Н 2 О ~ 2,5; все остальные соединения - до 100 %).
Горные породы как естественные ассоциации минералов обладают целым рядом физических свойств, знание которых необходимо для решения многих вопросов: плотность, теплопроводность, естественная радиоактивность*, электрические свойства (удельное электрическое сопротивление, поляризуемость, диэлектрическая проницаемость, электрохимическая активность), магнитные свойства (магнитная восприимчивость, индуцированная намагниченность, остаточная намагниченность, естественная остаточная намагниченность), упругие и физико-механические свойства (скорость распространения продольных и поперечных сейсмических волн, динамическим модулям упругости, модулям деформации и сдвига).
* -естественная радиоактивность горных пород определяется спонтанным распадом (неуправляемым) сосредоточенных в них радиоактивных изотопов. Главными и наиболее распространенными являются: 232 Тh, 235 U, 238 U, 40 К. Радиоактивность проявляется в испускании б-, в-частиц, г-фотонов.
В биосфере нашей планеты существуют различные формы движения материи, взаимосвязанные друг с другом. В ней совершается массовый перенос твердых, жидких и газообразных масс под влиянием энергии солнечных лучей и внутренней энергии планеты, связанной, главным образом, с радиоактивным распадом и выделяемой атомной энергией.
Представление о большом круговороте вещества в верхних горизонтах Земли, как учение о крупных геологических циклах, было разработано в целостном виде В.И. Вернадским и названы эти циклы геохимическими. Наиболее крупный по масштабам круговорот - это процесс формирования магматических горных пород, которые возникают при застывании магмы, поступившей в литосферу из глубин Земли. На поверхности земной коры материал изверженных горных пород подвергается разрушению - выветриванию и естественно переходит в подвижное состояние. Продукты разрушения сносятся геологическими агентами (водой, ветром) в пониженные части рельефа (денудация), а затем в водоемы. Таким образом, осадочные породы в ходе геологического времени погружаются на большие глубины, где подвергаются метаморфизму и переплавлению снова в магму. Последняя в благоприятных геологических условиях может снова попасть в верхние слои литосферы, где застывает в форме различных горных пород. Таким образом, в течение огромных интервалов геологического времени происходит глобальный круговорот вещества: магматическая порода - осадочная порода - метаморфическая порода - магма. Различные участки земной коры, наблюдаемые нами на поверхности земного шара, по существу являются звеньями этого круговорота.
Для тех людей, кто невнимательно слушал учителя в школе, будет интересно узнать, что главный элемент, составляющий земную кору, - это кислород.
Земная кора, ее особенности
Что делать с этим стихийным бедствием?
Предотвратить землетрясение невозможно. Силы, которые провоцируют это бедствие, неподконтрольны человеку, ибо их источник находится намного глубже, чем смогло проникнуть человечество. Мы только "ковыряем" верхний слой (пока что в рамках 13 километров), в то время, когда самое глубокое зафиксированное местонахождение эпицентра землетрясения было 750 километров.
Но было сделано все, чтобы предвидеть возможное бедствие, его силу и место. Для этого используют сейсмографы.
Постоянные исследования дают возможность составить картину сейсмологической активности и брать это в учет при строительстве. Инженеры, в свою очередь, работают над новыми конструкциями, способными выдерживать такую активность. Ведётся постоянная работа над информированием населения о том, как вести себя в случае землетрясения.
Страшное явление, которое может возникнуть вследствие такого бедствия, - это цунами. Так, в 2011 г. огромные волны океанской воды опустошили земли Северо-Восточной Японии, вследствие чего погибли около 16 тысяч человек, а более миллиона зданий было разрушено полностью или частично. В том числе три реактора на атомной электростанции "Фукусима-1". Свыше трехсот тысяч человек остались без крыши над головой. Это же событие повлияло на скорость вращения Земли, но вряд ли это заметно для человека, так как день стал короче всего на 1,8 микросекунды. Вот так, затронув тему, каким есть главный элемент, составляющий земную кору, мы перешли к проблемам, которые могут возникнуть из-за процессов, скрытых ею.
