Общая геология
1. Химический состав земной коры и Земли. Кларки
Верхняя каменная оболочка Земли — земная кора — сложена различными по составу и происхождению горными породами. Любая горная порода представляет собой определенное сочетание минералов, являющихся, в свою очередь, химическими элементами или их природными соединениями.
Таким образом, вещество земной коры в порядке усложнения степени его организации образует иерархический ряд: химический элемент — минерал — горная порода. Именно в такой последовательности и рассматривается ниже вещественный состав земной коры.
Наиболее достоверные сведения о химическом составе земной коры относятся к ее верхней части (до глубины 16-20 км), доступной для непосредственного изучения. Проблемами химического состава, закономерностями его изменения в пространстве и во времени занимается сравнительно молодая еще наука геохимия.
По данным современной геохимии, в земной коре установлено 93 химических элемента. Большинство из них являются сложными, то есть представлены смесью различных изотопов. Лишь 22 химических элемента (например, натрий, марганец, фтор, фосфор, золото) не имеют изотопов и поэтому называются простыми.
Распределены химические элементы в земной коре крайне неравномерно.
Первые серьезные исследования, касающиеся распространенности химических элементов, принадлежат американскому геохимику Ф. Кларку. Путем математической обработки имевшихся в его распоряжении результатов 6000 химических анализов различных горных пород Ф. Кларк установил средние содержания в земной коре 50 наиболее распространенных химических элементов. Данные Ф. Кларка, опубликованные впервые в 1889 г., впоследствии уточнялись многими отечественными и зарубежными исследователями: Г. Вашингтоном, В. Гольшмидтом, Г. Хевеши, В. Мейсоном, В. И. Вернадским, А. Е. Ферсманом, А. П. Виноградовым, А. А. Ярошевским и др.
В знак особой заслуги Ф. Кларка перед геохимической наукой средние содержания химических элементов в земной коре называют Кларками и выражают в весовых, атомных или объемных процентах. Наиболее и часто используют весовые кларки элементов. Ниже в таблице приведены кларки наиболее распространенных элементов земной коры по данным различных исследователей.
Весовые кларки наиболее распространенных химических элементов земной коры.
| Химическийэлемент | Кларк, вес. % | |||
| ПоФ. Кларку(1924) | ПоА. П. Виноградову(1962) | поВ. Мейсону(1971) | ПоА. А. Ярошевскому(1988) | |
| Кислород | 49,52 | 49,13 | 46,60 | 47,90 |
| Кремний | 25,75 | 26,00 | 27,72 | 29,50 |
| Алюминий | 7,51 | 7,45 | 8,13 | 8,14 |
| Железо | 4,70 | 4,20 | 5,00 | 4,37 |
| Кальций | 3,29 | 3,25 | 3,63 | 2,71 |
| Натрий | 2,64 | 2,40 | 2,83 | 2,01 |
| Калин | 2,40 | 2,35 | 2,59 | 2,40 |
| Магний | 1,94 | 2,35 | 2,09 | 1,79 |
| Водород | 0,88 | 0,15 | — | 0,16 |
| Титан | — | 0,61 | — | 0,52 |
| Углерод | — | 0,36 | — | 0,27 |
Приведенные данные показывают, что главными элементами-строителями земной коры являются О, Si, Al , Fe, Са, Na, К, Mg, составляющие более 98 % ее веса. Ведущее место среди них принадлежит кислороду, на долю которого приходится почти половина массы земной коры и около 92 % ее объема. По преобладающим химическим элементам земную кору иногда называют оксисферой, а также сиалической оболочкой.
Распространенность химических элементов связана с их положением в периодической системе. Как отмечал еще Д. И. Менделеев, наиболее распространенные элементы земной коры располагаются в начале периодической системы. С увеличением порядкового номера распространенность элементов неравномерно убывает.
Так, среди первых 30 элементов кларки редко опускаются ниже сотых долей процента и чаще выражаются в десятых долях или даже в целых процентах. У остальных элементов преобладают малые кларки, которые лишь очень редко поднимаются до тысячных долей процента.
Таким образом, в земной коре явно преобладают легкие элементы, что отличает ее от других внутренних геосфер, более бедных этими элементами и обогащенных тяжелыми металлами. Взаимосвязь между кларками химических элементов и их положением в периодической системе позволяет предположить, что одной из основных причин различной распространенности химических элементов в земной коре являются строение и энергетическая устойчивость ядер их атомов.
Следует отметить, что наши представления о распространенности химических элементов не всегда согласуются с истинными значениями их кларков. Например, такие обычные элементы, как медь, цинк, свинец, имеют кларки во много раз меньшие, чем считающиеся редкими цирконий, ванадий. Причиной такого несоответствия является различная способность химических элементов к образованию значительных концентраций в земной коре — месторождений. Эта способность определяется их химическими свойствами, зависящими от структуры внешних электронных оболочек атомов, а также термодинамическими условиями земной коры.
Химический состав земной коры изменяется в течение геологического времени, причем эта эволюция продолжается по сей день. Основными причинами изменения химического состава являются:
- процессы радиоактивного распада, приводящие к самопроизвольному
превращению одних химических элементов в другие, более устойчивые в условиях земной коры. Согласно расчетам В. И. Вернадского, в современную эпоху только за счет ядерных превращений ежегодно обновляют свой химический состав 10в -101Н т вещества земной коры;
- поступление метеорного вещества в виде метеоритов и космической пыли (16 тыс. т. ежегодно);
- продолжающиеся процессы дифференциации вещества Земли, приводящие к миграции химических элементов из одной геосферы в другую.
Атомы химических элементов в земной коре образуют разнообразные сочетания друг с другом, главным образом химические соединения. Формы их нахождения достаточно многообразны, однако основной формой существования химических элементов в земной коре является минеральная. При этом в одних случаях они образуют самостоятельные минеральные виды, в других — входят в кристаллические решетки других минералов в виде примесей.
2. Формы залегания магматических горных пород
Формы залегания магматических пород зависят от условий их образования. Наиболее разнообразные условия могут возникать при формировании интрузивных горных пород, образование которых происходит на разных глубинах при различных сочетаниях условий давления, температуры, количества магмы, ее состава, а также тектонических условий, при которых затвердевает расплав. Разнообразие условий приводит к образованию специфичных и разнообразных форм залегания интрузивных горных пород, называемых интрузивными массивами, или интрузивами, или плутонами. Обычно на дневную поверхность выступает только часть интрузивного тела.
По размерам (по площади на карте) различают интрузивы крупные - более 100 км2, средние - 100-10 км2 и мелкие - менее 10 км2.Интрузивныетела делятся на секущие (интрузивы прорывают вмещающие породы) рис.1, согласные (интрузивы залегают согласно с вмещающими породами) рис.2 и частично согласные (интрузивы располагаются между складчатой и полого залегающей толщами). К наиболее широко распространенным секущим интрузивам относятся батолиты, штоки, дайки, магматические диапиры рис.1. Основными согласными интрузивными телами являются лополиты, лакколиты, факолиты, силлы рис.2, а частично согласные - гарполиты, магматические диапиры рис.1 (IIв, г).
Глубинные интрузивные породы в земной коре образуют обычно батолиты, гарполиты, лополиты и крупные штоки, а полуглубинные - более мелкие тела: штоки, дайки, лакколиты, факолиты, силлы, магматические диапиры.
Условия образования вулканических горных пород, формирующихся на земной поверхности, менее разнообразны. Эффузивные горные породы в зависимости от химического состава лавы и особенностей излияния образуют покровы и потоки и связанные с ними некки-жерла вулканов рис.3. Наиболее вязкие (кислые) лавы образуют вулканические купола. Пирокластические породы имеют такие же формы залегания, как и осадочные: слой, линза.
3. Геологическая деятельность озер и болот
кларк горный порода магматический
Озера
Озерами называются впадины на поверхности суши, заполненные водой и не имеющие непосредственной связи с Мировым океаном. Их суммарная площадь составляет около 2,7 млн. км2 , или 1,8 % поверхности суши.
Озера очень разнообразны по своим размерам, происхождению озерных впадин, гидрогеологическому режиму, химическому составу воды. Самыми крупными по занимаемой площади являются Каспийское море-озеро (395 тыс. км2), озеро Верхнее в Северной Америке (82,4 тыс. км2) и озеро Виктория в Африке (69,4 км2).
Работа озер очень близка к деятельности морских водоемов и отличается в основном масштабами своего проявления. Она складывается из разрушения берегов и прибрежных частей дна, переноса и сортировки материала внутри водоема, накопления осадков. Разрушительная работа (озерная абразия) происходит в основном в прибрежной зоне и связана с воздействием ветровых волн. Под ударами волн берег разрушается и постепенно отступает. Интенсивность разрушения находится в прямой зависимости от величины водоема. У относительно небольших озер с установившимся уровнем абразия минимальна. Детальное изучение разрушительных процессов проводилось на берегах искусственных водоемов. Так, в Цимлянском водохранилище на р.Дон за пять лет берега были срезаны волнами в среднем на - 50 м. В целом в геологической работе озер разрушительная деятельность играет второстепенную роль. Весь материал, поступающий в озера в результате их разрушительной деятельности, а также принесенный реками, ручьями, ветром, разносится волнами и течениями по всему водоему и в конечном итоге отлагается на его дне. Перенос происходит как в механической форме - перекатыванием по дну и в виде взвесей, так и в химической - в виде истинных и коллоидных растворов.