Вещественный состав мантии и ядра Земли.

 

Вещественный состав мантии и ядра Земли.

Валовый химический состав Земли очень близок к составу углистых хондритов – метеоритов, по составу близких первичному космическому веществу, из которого формировалась Земля и другие космические тела Солнечной системы. По валовому составу Земля на 92% состоит всего из пяти элементов (в порядке убывания содержания): кислорода, железа, кремния, магния и серы. На все остальные элементы приходится около 8%.

Однако, в составе геосфер Земли перечисленные элементы распределены неравномерно - состав любой оболочки резко отличается от валового химического состава планеты. Это связано с процессами дифференциации первичного хондритового вещества в процессе формирования и эволюции Земли.

Основная часть железа в процессе дифференциации сконцентрировалась в ядре. Во внешнем ядре присутствует некоторое количество лёгких компонентов. В качестве наиболее вероятных компонентов рассматриваются водород или сера. Так расчёты показывают, что смесь 86% железа + 12% серы + 2% никеля соответствует плотности внешнего ядра и должна находится в расплавленном состоянии при Р-Т условиях этого участка планеты. Твёрдое внутреннее ядро, представлено никелистым железом, вероятно, в соотношении 80% Fe + 20% Ni, что отвечает составу железных метеоритов.
Для описания химического состава мантии к сегодняшнему дню предложено несколько моделей. Несмотря на имеющиеся между ними различия, всеми авторами принимается, что примерно на 90% мантия состоит из окислов кремния, магния и двухвалентного железа; еще 5 – 10% представлены окислами кальция, алюминия и натрия. Таким образом, на 98% мантия состоит всего из шести перечисленных окислов.

 

III. Строение и происхождение минералов. Процессы минералообразования. Типы минералообразования от эндогенных до экзогенных.

 

Минерал – природное вещество, состоящее из одного элемента или из закономерного сочетания элементов, образующееся в результате природных процессов, протекающих в недрах Земли или на поверхности. Каждый минерал имеет определенное строение, обладает конкретными физическими и химическими характеристиками.

В зависимости от агрегатного состояния минералы подразделяют на твердые (кварц), жидкие (ртуть), газообразные (метан).

К числу важнейших физических свойств, позволяющих производить макроскопическое определение минералов, относят следующие: твердость, блеск, цвет в куске, цвет в порошке (цвет черты), спайность, излом, прозрачность, удельный вес.

Твердость минерала – способность сопротивляться механическому воздействию со стороны другого тела. Твердость минерала зависит от его внутреннего строения и химического состава. Простейший способ определения твердости – царапанье одного минерала другим. Для такой оценки принята шкала Мооса (Рис. 5), представленная десятью минералами-эталонами – в ней каждый последующий минерал царапает все предыдущие (чем выше номер минерала, тем он тверже).

Рис. 5

Блеск – способность минерала отражать свет. Интенсивность и характер блеска зависит от показателя преломления, отражательной способности и характера поверхности, от которой отражается свет. При условии, что свет отражается от ровной гладкой поверхности, выделяют следующие типы блеска по возрастанию яркости:

· Металлический блеск;

· Металловидный блеск;

· Неметаллический блеск:

· Алмазный блеск (алмаз, киноварь и др.);

· Стеклянный блеск (кварц, гипс, кальцит и др.);

· Жирный блеск (самородная сера и др.);

· Перламутровый блеск (слюда, гипс и др.);

· Шелковистый блеск (асбест и др.);

 

Цвет черты - цвет минерала в порошке. Минералы с невысокой твердостью оставляют на поверхности не глазурованной фарфоровой пластинке белую, черную или цветную черту. Для некоторых минералов цвет черты является диагностическим признаком, так как цвет черты может не совпадать с цветом минерала, например, черный хромит имеют бурую черту, у черного гематита вишнево-красная черта.

 

Способность минералов разламываться по определенным кристаллографическим направлениям с образованием ровных блестящих поверхностей. Излом - неровные поверхности, которые образуются при расколе минерала по случайным направлениям

Различают 5 видов спайности:

· спайность весьма совершенная - минерал раскалывается на тончайшие листочки или пластинки (слюды)

· спайность совершенная - минерал в любом месте раскалывается с образованием ровных блестящих поверхностей (кальцит, галит)

· спайность средняя - при расколе образуются поверхности излома (пироксены)

· спайность несовершенная - ровные поверхности редки, в основном образуются поверхности излома (апатит)

· спайность весьма совершенная - спайности нет, образуются поверхности излома (кварц)

 

По происхождению минералы делятся на типы, которые объединяются в две группы: эндогенные – возникают в глуби земной коры благодаря процессам магматизма и метаморфизма, а также экзогенные – образующиеся в верхней части земной коры в результате выветривания и осаждения из водных растворов. Последовательность формирования минералов от эндогенных до экзогенных можно представить следующим образом.

· Магматический тип минералообразования имеет место в пределах магматического очага, возникающего в глуби земной коры. По мере остывания и гравитационного разделения магмы, из нее последовательно кристаллизуются вначале тугоплавкие, а затем все более легкоплавкие минералы. Соответственно, первыми возникают тяжелые зелено-черные минералы: оливин, авгит, лабрадор; затем более легкие: роговаяобманка, слюды, ортоклазы, а в завершение – самый легкий низкотемпературный кварц. Такая последовательность получила название реакционного ряда Боуэна (по имени канадского ученого).

· Пегматитовый тип проявляется на последних стадиях остывания магмы, при температурах 500 – 700° С, когда в расплавленном виде остаются лишь самые легкие фракции, обогащенные кислотами и щелочами и насыщенные газами. В этих условиях формируются своеобразные породы – пегматиты, сложенные крупными и гигантскими кристаллами кварца, ортоклаза, слюд. На данной стадии возникают многие драгоценные камни, рудные и радиоактивные минералы.

· Пневматолитовый тип заключается в кристаллизации перенасыщенного газами вещества магмы, поднимающегося по трещинам земной коры. Из летучих соединений формируются руды висмута, вольфрама, молибдена, мышьяка и др. Когда температура понижается до 500° С, пневматолитовый тип начинает сопровождаться гидротермальными процессами, ведущими к накоплению рудообразующих минералов: галенита, сфалерита, киновари, халькопирита, пирита, золота и т.д.

· Гидротермальный тип начинается при охлаждении газов и растворов до 375° С, что обуславливает образование как самородных минералов, так и хлоридных, сульфатных и других соединений: серы, галита, сильвина и др.

· Гипергенный тип минералообразования проявляется на земной поверхности в воздушной или водной среде, или на небольших глубинах в земной коре. Здесь неустойчивые ко внешним воздействиям минералы разрушаются и переходят в устойчивые соединения. Основополагающее значение принадлежит процессам выветривания, осаждения веществ из водных растворов, деятельности подземных вод. Характерными минералами являются каолин, монтмориллонит, галит, сильвин, малахит, лимонит, боксит и др.

· Метаморфический тип обусловлен воздействием на горные породы высоких температур, давления, а также магматических газов и растворов. При этом возникает обширный перечень минералов, как хлорит, тальк, графит, магнетит и др.

 

IV. Химические классы минералов.

 

Современная классификация минералов основана на их химическом составе и кристаллической структуре. Главнейшие породообразующие и рудные минералы, изучение которых входит в программу курса, объединяются в несколько классов.

· Самородные элементы. В этот класс входят минералы, состоящие из одного элемента. Известно около 45 минералов этого класса, составляющих 0,01 % массы земной коры. К нему относятся: самородное золото Au, серебро Ag, медь Cu, платина Pt, графит C, алмаз C, сера S и др.

· Сульфиды – соединения различных элементов с серой. Они также имеют небольшое значение в строении земной коры, но включают ряд минералов – важнейших руд на свинец, медь, цинк, молибден и др. К ним относятся: пирит (серный колчедан) FeS₂, халькопирит (медный колчедан) CuFeS₂, борнит Cu₅FeS₄, галенит (свинцовый блеск) PbS, сфалерит (цинковая обманка) ZnS, молибденит (молибденовый блеск) MoS₂, киноварь HgS и др.

· Галоидные соединения. Минералы этого класса в химическом отношении представляют собой соли галоидоводородных кислот. Наиболее распространены хлористые и фтористые соединения. К ним относятся галит (поваренная соль) NaCl, сильвин KCl, флюорит (плавиковый шпат) CaF₂.

· Оксиды и гидроксиды. В этот класс объединены минералы – соединения различных элементов с кислородом и гидроксильной группой. По количеству входящих в него минералов занимает одно из первых мест; на его долю приходится около 17 % массы земной коры. Минералы этого класса подразделяются на две группы:

· Оксиды и гидроксиды кремния (группа кварца) SiO₂.

· Оксиды и гидроксиды металлов.

· Карбонаты– соли угольной кислоты (H₂CO₃). В класс карбонатов входят минералы: кальцит (известковый шпат) CaCO₃, прозрачная разность которого называется исландским шпатом, доломит CaMg(CO₃)₂, сидерит FeCO₃, магнезитMgCO₃ . К водным карбонатам относится красивый поделочный минерал малахитCu₂CO₃(OH)_2.

· Сульфаты – соли серной кислоты (H₂SO₄). К ним относится гипс CаSO₄·2H₂O, ангидрит (безводный сульфат кальция) CaSO₄, барит BaSO₄ и др.

· Фосфаты – соли ортофосфорной кислоты (H₃PO₄). Наиболее распространенными среди фосфатов является минералы апатит Сa₅[PO₄]₃(F,OH,Cl) и скрытокристаллическая разность того же состава –фосфорит. Широко используются для производства удобрений и в химической промышленности.

· Вольфраматы– соли вольфрамовой кислоты (H₂WO₄). К ним относятся минералы вольфрамит (Fe,Mn)WO₄ и шеелит CaWO₄, являющиеся рудой на вольфрам.

· Силикаты– соли гипотетической кремниевой кислоты (одна из формул кислоты H₄SiO₄). В этот класс входят наиболее распространенные в земной коре породообразующие минералы, чрезвычайно сложные по химическому составу и участвующие в строении всех типов горных пород, особенно магматических и метаморфических. Они составляют примерно одну треть всех известных минералов. По Н. В. Белову, силикаты, включая и кварц, относящийся по структуре также к силикатам, составляют по весу более 90 % всей земной коры. Стройная классификация этого сложного класса минералов стала возможной лишь благодаря кристаллохимическим исследованиям, установившим тесную связь их структуры с химическим составом. В основе кристаллической решетки всех силикатов лежит ионная четырехвалентная группировка [SiO₄]^4-, образующая тетраэдры, различное сочетание которых определяет структуру силикатов.

 

 

V. Понятие горных пород. Понятие об осадочных горных породах. Текстуры и структуры горных пород.

 

Горные породы представляют естественные минеральные агрегаты, образующиеся в земной коре или на ее поверхности в ходе различных геологических процессов. Основную массу горных пород слагают породообразующие минералы, состав и строение которых отражают условия образования пород. Кроме этих минералов в породах могут присутствовать и другие, более редкие минералы, состав и количество которых в породах непостоянны.

Строение горных пород характеризуется структурой и текстурой. Структура определяется состоянием минерального вещества, слагающего породу (кристаллическое, аморфное, обломочное), размером и формой кристаллических зерен или обломков, входящих в ее состав, их взаимоотношениями. Если порода целиком состоит из кристаллических зерен, выделяют полнокристаллическую структуру. При резком преобладании нераскристаллизовавшейся массы говорят о стекловатой или аморфной структуре. Если в стекловатую массу вкраплены кристаллические зерна (фенокристы или порфировые вкрапленники), структуру называют порфировой. Если крупные кристаллические зерна вкраплены также в кристаллическую, но более мелкозернистую массу, структура называется порфировидной. Когда порода состоит из каких-либо обломков, говорят об обломочной структуре.

Кристаллическая и обломочная структуры подразделяются по величине зерен и обломков. Так, среди кристаллических структур выделяют крупнозернистые, с диаметром зерен более 5 мм, среднезернистые с зернами от 5 до 2 мм в поперечнике, мелкозернистые с диаметром зерен менее 2 мм. В тех случаях, когда порода состоит из очень мелких, не различимых невооруженным глазом кристаллических зерен, ее структура определяется как афанитовая, или скрытокристаллическая. При более или менее одинаковых размерах зерен породы говорят о равномернозернистой структуре, в противном случае - о неравномернозернистой. Под текстурой понимают сложение породы, т.е. расположение в пространстве слагающих ее частиц (кристаллических зерен, обломков и др.). Выделяют плотную и пористую текстуры, однородную или массивную и ориентированную (слоистую, сланцеватую и др.).

В основу классификации горных пород положен генетический признак. По происхождению выделяют:

· магматические, или изверженные, горные породы, связанные с застыванием в различных условиях силикатного расплава - магмы и лавы;

· осадочные горные породы, образующиеся на поверхности в результате деятельности различных экзогенных факторов;

· метаморфические горные породы, возникающие при переработке магматических, осадочных, а также ранее образованных метаморфических пород в глубинных условиях при воздействии высоких температур и давления, а также различных жидких и газообразных веществ (флюидов), поднимающихся с глубины.

Магматические горные породы наряду с метаморфическими слагают основную массу земной коры, однако, на современной поверхности материков области их распространения сравнительно невелики. В земной коре они образуют тела разнообразной формы и размеров, так называемые структурные формы, состав и строение которых зависят от химического состава исходной для данной породы магмы и условий ее застывания. В основе классификации магматических горных пород лежит их химический состав. Учитывается, прежде всего, содержание оксида кремния, по которому магматические породы условно делят на четыре группы кислотности: ультраосновные породы, содержащие более 45% кремнезема (SiO₂), основные - 45-52, средние-52-65 и кислые-более 65%. Химический состав может быть определен лишь при лабораторных исследованиях. Однако минеральный состав отражает химический и может быть использован для выяснения группы кислотности. Породообразующими минералами магматических пород являются минералы класса силикатов: кварц, полевые шпаты, слюды, амфиболы, пироксены, которые в сумме составляют около 93% всех входящих в магматические породы минералов, затем оливин, фельдшпатоиды, некоторые другие силикаты и около 1% минералов других классов

В зависимости от условий, в которых происходило застывание магмы, магматические породы делят на ряд групп: породы глубинные, или интрузивные, образовавшиеся при застывании магмы на глубине, и породы излившиеся, или эффузивные,связанные с застыванием магмы, излившейся на поверхность, т.е. лавы.

Интрузивные породы обладают массивной текстурой, характеризующейся отсутствием ориентировки минеральных зерен. Реже встречается ориентированная текстура, отражающая движение магмы в процессе застывания, а также результат ее гравитационной дифференциации. В эффузивных породах ориентированная текстура возникает чаще. При этом кристаллические зерна, струи стекла, пустоты располагаются упорядоченно по направлению течения потока лавы и породы приобретают флюидальную текстуру. Для них характерна также пористая текстура, отражающая процесс выделения газов при застывании лавы.

Определение эффузивных пород по минеральному составу сильно затруднено главным образом тем, что значительная их часть состоит из нераскристаллизовавшегося вулканического стекла, для которого можно говорить лишь о химическом составе. Определение таких пород также затрудняют и более поздние их изменения. В случае порфировой структуры эффузивных пород пользуются терминами порфир, если кристаллические вкрапленники представлены преимущественно калиевыми полевыми шпатами, и порфирит, если во вкрапленниках преобладают плагиоклазы.

 

VI. Экзогенные процессы. Генетические типы и фации отложений.

В зависимости от энергетического источника и места протекания, все геологические процессы можно разделить на внешние (экзогенные)и внутренние (эндогенные).

Экзогенными (внешними) называются процессы, протекающие на земной поверхности или на небольших глубинах в земной коре. Названные процессы осуществляются, например, текучими водами. ледниками, ветром и т.д. Деятельность этих процессов включает два важнейших вида работы: разрушение горных пород и их накопление (аккумуляцию).

В зависимости от конкретных сил, определяющих характер происходящих явлений, все экзогенные процессы можно разделить на две группы:

· процессы выветривания,

· процессы работы внешних динамических сил.

Различие между ними заключается в следующем:

– выветривание зависит от климата; осуществляется силами, воздействующими на земную поверхность стационарно и равномерно; выветривание не вызывает перераспределения масс горных пород по земной поверхности;

– внешние динамические силы работают избирательно (зависят от энергии воздействующей силы, от рельефа, состава горных пород и др.), осуществляются подвижными агентами, ведут к перераспределению масс горных пород.

Накапливающиеся на по­верхности Земли горные породы объединяются в генетические типы отложений, которые, в свою очередь, подразделяются на фации.

Генетический тип отложений– это совокупность горных пород, накопленных определенным геологическим агентом.

Фация– это комплекс отложений какого-либо генетического типа, накопленный в определенных физико-географических условиях. Фации характеризуются закономерными условиями залегания, строением и составом горных пород.

Можно выделить три главных обстановки осадконакопления:

· морскую (океаническую)

· континентальную

· переходную.

 

В составе каждой из них представлены различные генетические типы отложений:

– морские отложения: шельфовые, батиальные, абиссальные;

– континентальные отложения: элювиальные и склоновые, коллювиальные (обвально-осыпные), аллювиальные, озерно-болотные, эоловые и др.;

– переходные отложения: осадки устьевые и лагунные.

 

VII. Выветривание. Типы выветривания. Продукты выветривания.

 

Выветривание – это процесс изменения и разрушения минералов и горных пород на земной поверхности под воздействием физических, химических и органических факторов.

В зависимости от того, какие факторы обуславливают процессы преобразования пород, выветривание можно подразделить на физическое (или механическое) и на химическое.

 

Физическое выветривание подразделяется на температурное и морозное.

· Температурное выветривание – разрушение горных пород и минералов на поверхности Земли под влиянием колебаний температуры. Так в процессе температурного выветривания массив пород разрушается с образованием обломочных пород различного размера – от щебня до алевритового материала. Суточные колебания температуры проявляются до глубины 1 м, что определяет максимальную мощность возникающих таким путём обломочных отложений. Наиболее активно температурное выветривание протекает в пустынях и, в несколько меньшей степени, в нивальных областях и в высокогорных районах, не покрытых снегом. Этому способствует сочетание двух факторов: 1) резкие суточные колебания температуры, достигающие 50^оС и 2) обнажённость горных пород ввиду отсутствия растительного покрова и почвенного слоя.

· Морозное выветривание – разрушение горных пород в результате периодического замерзания попадающей в трещины воды. Попадая в трещины, в холодное время суток вода замерзает – превращается в лёд, объём которого, как известно, значительно выше, чем исходный объём воды. Кристаллизующийся лёд оказывает на стенки трещин весьма существенно давление, достигающее 1000 кг/см³ и более, что значительно выше прочности большинства горных пород. Давление льда приводит к расширению трещин и раскалыванию пород на крупные обломки размером от десятков сантиметров до метров в диаметре. Отсутствие более мелкого материала обусловлено тем, что свободная вода не способна проникать в микротрещины. Наиболее активно морозное выветривание протекает в холодных и умеренных областях с резкими суточными колебаниями температуры, а также в области развития вечной мерзлоты и в зоне деятельности ледников.

 

Продукты выветривания, залегающие на месте своего образования, называются элювий. К элювию относят продукты выветривания, не смещённые за пределы площади развития материнских пород

 

Химическое выветривание представляет собой процесс химического преобразования минералов и горных пород под воздействием воды, кислорода, углекислого газа, органических кислот, а также вследствие биогеохимических процессов.

Преобразование происходит вследствие реакций окисления и гидратации, растворения и гидролиза. Особое место занимают реакции гидролиза - ионного обмена между веществами и водой, приводящие к разрушению даже весьма устойчивых структур силикатов, сопровождающемуся их гидратацией и выносом элементов из кристаллической решётки. Примером такой реакции, может служить разрушение каркасной структуры полевых шпатов с образованием глинистых минералов и, далее, гиббсита.

Необходимыми условиями глубоко химического выветривания являются:

· климат, при котором достигается сочетание высоких температур и влажности (гумидный тропический);

· обилие и характер растительности (при её разложении образуются органические кислоты, активно разрушающие минералы);

· выровненный рельеф, обеспечивающий неподвижность продуктов разрушения;

· продолжительность выветривания.

Продукты дезинтеграции представляют собой подвергшиеся физическому выветриванию породы субстрата, практически не изменившие химического состава.

Глинистый элювий – глины, сохранившие реликтовую структуру материнских пород. Глинистый элювий обычно слагает основную массу коры выветривания и подразделяется по минеральному составу (гидрослюдистый, монтмориллонитовый, каолинитовый).

Латеритом называют красноцветные железистые или железисто-глинозёмистые элювиальные образования, состоящие преимущественно из минералов гидроокислов и оксидов железа, алюминия и титана с примесью каолинита. они во влажных тропических и субтропических областях в условиях интенсивного выноса кремнезёма и оснований и накоплением окислов алюминия, железа и титана в остаточных породах. Образуются латериты за счёт материнских пород, богатых алюминием

Разновидностью коры выветривания являются рудные шляпы, формирующиеся при химическом выветривании пород, богатых рудными минералами, обычно сульфидами или другими легкоокисляющимися соединениями. На поверхности рудные шляпы обычно сложены кавернозными железняками, образующими глыбовые и щебневые развалы, выделяющиеся темно- и светло-красной, охристой и буровато-красной окраской, связанной с окислами и гидроокислами железа.

По составу конечных продуктов рудные шляпы подразделяются на оксидные и сульфатные. Первые характерны для жарких и умеренных гумидных областей; вторые – широко развиты в аридных и зонах и зоне вечной мерзлоты.

Оксидные шляпы характеризуются резким преобладанием среди новообразованных рудных минералов гидроокислов железа, а в глинистых фракциях галлуазит-каолинитовой ассоциации; они имеют относительно большую мощность, как правило, многие десятки метров.

Сульфатные шляпы отличаются присутствием зоны сульфатов железа и обладают обычно небольшой мощностью (метры, до первых десятков метров).

 

 

VIII. Динамические геологические процессы. Геологическая работа ветра. Ветровой перенос и аккумуляции.

 

Геологическая деятельность ветра складывается из процессов разрушения пород, переноса материала и его аккумуляции, тесно взаимосвязанных и протекающих одновременно.

Разрушительная деятельность ветра складывается из двух процессов - дефляции и корразии.
Дефляция - процесс выдувания и развевания ветром частиц рыхлых горных пород. Дефляции подвергаются мелкие частицы пелитовой, алевритовой и песчаной размерности. Различают площадную и локальную дефляцию. Площадная дефляция приводит к равномерному выдуванию рыхлых частиц с обширных площадей; понижение поверхности за счёт такой дефляции может достигать 3 см в год. Развитие локальной дефляции определяется особенностями движения воздушных потоков и характером рельефа. С действием восходящих вихревых потоков связано образование котловин выдувания. В качестве особого вида локальной дефляции выделяют бороздовую дефляцию. В трещинах, узких щелях или бороздах сила ветра больше, и рыхлый материал выдувается оттуда в первую очередь. В частности с этим видом дефляции связано углубление колеи дорог: в Китае, на сложенных лёссом территориях, на месте дорог образуются узкие каньоны глубиной в первые десятки метров.

Коррозия – процесс механического истирания горных пород обломочным материалом, переносимым ветром. Заключается в обтачивании, шлифовании, и высверливании горных пород. Частицы, переносимые ветром, ударяясь о поверхность встречающихся на пути коренных горных пород, действуют в качестве природного «абразивного инструмента», вырабатывая на их поверхности штрихи, борозды, ниши и другие характерные формы. В процессе такого обтачивания происходит также образование нового обломочного материала, вовлекаемого в процесс дефляции (грубой аналогией подобного процесса может служить действие абразивного инструмента на предмет - в результате обработки предмет изменяет форму, а удаляемая часть превращается в стачиваемый мелкий материал). Таким образом, процессы корразии и дефляции взаимосвязаны и протекают одновременно.