Минеральные ресурсы литосферы

Люди еще в древности научились применять для своих нужд некото­рые из этих ресурсов, что нашло свое выражение в названиях истори­ческих периодов развития человечества: «каменный век», «бронзовый век», «железный век». В наши дни используются более 200 различных видов минеральных ресурсов. По образному выражению академика А. Е. Ферсмана (1883-1945), ныне к ногам человечества сложена вся периодическая система Менделеева.

Полезные ископаемые — это минеральные образования земной ко­ры, которые могут эффективно использоваться в хозяйстве, скопле­ния полезных ископаемых образуют месторождения, а при больших площадях распространения — бассейны.

Распространение полезных ископаемых в земной коре подчиняет­ся геологическим (тектоническим) закономерностям (табл. 7.4).

Топливные полезные ископаемые имеют осадочное происхожде­ние и обычно сопутствуют чехлу древних платформ и их внутренним и краевым прогибам. Так что название «бассейн» отражает их проис­хождение довольно точно — «морской бассейн».

На земном шаре известно более 3,6 тыс. угольныхбассейнов и ме­сторождений, которые в совокупности занимают 15% территории зем­ной суши. Основная часть ресурсов угля приходится на Азию, Север­ную Америку и Европу и сконцентрирована в десяти крупнейших бас­сейнах Китая, США, России, Индии, Германии.

Нефтегазоносныхбассейнов разведано более 600, разрабатывает­ся 450. Общее число нефтяных месторождений достигает 35 тыс. Ос­новные запасы находятся в Северном полушарии и являются отложе­ниями мезозоя. Главная часть этих запасов также сконцентрирована в небольшом числе крупнейших бассейнов Саудовской Аравии, США, России, Ирана.

Рудныеполезные ископаемые обычно приурочены к фундаментам (щитам) древних платформ, а также к складчатым областям. В таких областях они нередко образуют огромные по протяженности рудные (металлогенические) пояса, связанные своим происхождением с глу­бинными разломами в земной коре. Ресурсы геотермальной энергии особенно велики в странах и районах с повышенной сейсмической и вулканической активностью (Исландия, Италия, Новая Зеландия, Филиппины, Мексика, Камчатка и Северный Кавказ в России, Кали­форния в США).

Для хозяйственного освоения наиболее выгодны территориальные сочетания (скопления) полезных ископаемых, которые облегчают комплексную переработку сырья.

Добыча минеральных ресурсов закрытым (шахтным) способом в мировых масштабах ведется в зарубежной Европе, Европейской час­ти России, США, где многие месторождения и бассейны, находящиеся в верхних слоях земной коры, уже сильно выработаны.

Если полезные ископаемые залегают на глубине 20-30 м, выгоднее снять бульдозером верхний слой горной породы и вести добычу от­крытым способом. Открытым способом добывают, например, желез­ную руду в районе Курска, уголь на некоторых месторождениях Сибири.

По запасам и добыче многих минеральных богатств Россия занимает одно из первых мест в мире (газ, уголь, нефть, железная руда, алмазы).

В табл. 7.4 показана зависимость между строением земной коры, рельефом и размещением полезных ископаемых.

Таблииа 7.4

Залежи полезных ископаемых в зависимости от строения и возврата участка земной коры и форм рельефа

Формы рельефа	Строение и возраст участка земной коры	Характерные полезные ископаемые	Примеры
Равнины	Щиты архейско-протерозойских платформ	Обильные месторожде­ния железных руд	Украинский щит, Балтийский щит Русской платфор­мы
	Плиты древних платформ, чехол ко­торых сформировал­ся в палеозойское и мезозойское время	Нефть, газ, каменный уголь, строительные ма­териалы	Западно-Сибир­ская низменность, Русская равнина
Горы	Молодые складча­тые горы альпийско­го возраста	Полиметаллические ру­ды, строительные мате­риалы	Кавказ, Альпы
	Разрушенные складчато-глыбовые горы мезозойской, герцинской и каледон­ской складчатостей	Самые богатые полез­ными ископаемыми структуры: руды черных (железо, марганец) и цветных (хром, медь, никель, уран, ртуть) ме­таллов, россыпи золота, платины, алмазов	Казахский мелко-сопочник
	Омоложенные горы мезозойской и па­леозойской складча-тостей	Руды черных и цветных металлов, коренные и россыпные месторожде­ния золота, платины и алмазов	Урал, Аппалачи, горы Централь­ной Европы
Матери­ковая отмель (шельф)	Краевые прогибы	Нефть, газ	Мексиканский за­лив
	Затопленная часть плит, платформ	Нефть, газ	Персидский залив
Дно океана	Абиссальные равни­ны	Железо-марганцевые конкреции	Дно Северного моря

Гидросфера

Гидросфера (от греч. hydro — вода и sphaira — шар) — водная оболочка Земли, представляющая собой совокупность океанов, морей и конти­нентальных водных бассейнов — рек, озер, болот и др., подземных вод, ледников и снежных покровов.

Полагают, что водная оболочка Земли образовалась в раннем архее, то есть примерно 3800 млн лет назад. В этот период истории Зем­ли на нашей планете установилась температура, при которой вода мог­ла находиться в значительной мере в жидком агрегатном состоянии.

Вода как вещество обладает уникальными свойствами, к числу ко­торых относятся следующие:

♦ способность к растворению очень многих веществ;

♦ высокая теплоемкость;

♦ нахождение в жидком состоянии в интервале температур от 0 до 100 °С;

♦ большая легкость воды в твердом состоянии (льда), нежели в жид­ком.

Уникальные свойства воды позволили ей играть важную роль в эво­люционных процессах, происходящих в поверхностных слоях земной коры, в круговороте вещества в природе и являться условием возник­новения и развития жизни на Земле. Вода начинает выполнять свои геологические и биологические функции в истории Земли после возникновения гидросферы.

Гидросферу составляют поверхностные воды и подземные воды. Поверхностные воды гидросферы покрывают 70,8% земной поверхности. Их суммарный объем достигает 1370,3 млн км³, что составляет 1/800 общего объема планеты, а масса оценивается в 1,4 х 1018 т. К числу поверхностных вод, то есть вод, покрывающих сушу, относят Мировой океан, континентальные водные бассейны и материковые льды. Мировой океан включает в себя все моря и океаны Земли.

Моря и океаны покрывают 3/4 поверхности суши, или 361,1 млн км². В Мировом океане сосредоточена основная масса поверхностных вод — 98%. Мировой океан условно разделен на четыре океана: Атлантиче­ский, Тихий, Индийский и Северный Ледовитый. Полагают, что современный уровень океана установился около 7000 лет назад. По дан­ным геологических исследований, колебания уровня океана за послед­ние 200 млн лет не превышали 100 м.

Вода в Мировом океане соленая. Среднее содержание солей со­ставляет около 3,5% по массе, или 35 г/л. Их качественный состав сле­дующий: из катионов преобладают Na⁺, Mg²⁺, K⁺, Ca²⁺, из анионов — Сl-, SO₄^2-, Вг^-, С0з^2-, F^-. Считается, что солевой состав Мирового океана остается постоянным с палеозойской эры времени начала развития жизни на суше, то есть примерно в течение 400 млн лет.

Континентальные водные бассейны представляют собой реки, озе­ра, болота, водохранилища. Их воды составляют 0,35% от общей мас­сы поверхностных вод гидросферы. Некоторые континентальные во­доемы — озера — содержат соленую воду. Эти озера имеют либо вулка­ническое происхождение, либо представляют собой изолированные остатки древних морей, либо образованы в районе мощных отложений растворимых солей. Однако в основном континентальные водоёмы пресные.

Пресная вода открытых водоемов также содержит растворимые соли, но в небольшом количестве. В зависимости от содержания раство­ренных, солей пресную воду разделяют на мягкую и жесткую. Чем меньше в воде растворено солей, тем она мягче. Самая жесткая прес­ная вода содержит солей не более 0,005% по массе, или 0,5 г/л.

Материковые льды составляют 1,65% от общей массы поверхност­ных вод гидросферы, 99% льда находится в Антарктиде и Гренландии. Общая масса снега и льда на Земле оценивается в 0,0004% массы на­шей планеты. Этого достаточно для того, чтобы покрыть всю поверхность планеты слоем льда толщиной 53 м. Согласно расчетам, если эта масса растает, то уровень океана поднимется на 64 м.

Химический состав поверхностных вод гидросферы приблизитель­но равен среднему составу морской воды. Из химических элементов по массе преобладают кислород (85,8%) и водород (10,7%). Поверхно­стные воды содержат значительное количество хлора (1,9%) и натрия (1,1%). Отмечается существенно более высокое, чем в земной коре, со­держание серы и брома.

Подземные воды гидросферы содержат основной запас пресной во­ды: Предполагают, что суммарный объем подземных вод примерно 28,5 млрд км³. Это почти в 15 раз больше, чем в Мировом океане. Счи­тают, что именно подземные воды являются основным резервуаром, пополняющим все поверхностные водоемы. Подземная гидросфера может быть разделена на пять зон.

Криозона. Область льдов. Зона охватывает полярные районы. Тол­щина ее оценивается в пределах 1 км.

Зона жидкой воды. Охватывает практически всю земную кору.

Зона парообразной воды ограничивается глубиной до 160 км. Пола­гают, что вода в этой зоне имеет температуру от 450 °С до 700 °С и на­ходится под давлением до 5 ГПа¹.

Ниже, на глубинах до 270 км, располагается зона мономерных моле­кул воды. Она охватывает слои воды с диапазоном температур от 700 °С до 1000 °С и давлением до 10 ГПа.

Зона плотной воды простирается, предположительно, до глубин в 3000 км и опоясывает всю мантию Земли. Температуру воды в этой зоне оценивают в промежутке от 1000° до 4000 °С, а давление — до 120 ГПа. Вода при таких условиях полностью ионизирована.

Гидросфера Земли выполняет важные функции: она регулирует температуру планеты, обеспечивает круговорот веществ, является составной частью биосферы.

Непосредственное воздействие на регуляцию температуры поверхностных слоев Земли гидросфера оказывает благодаря одному важных свойств воды — большой теплоемкости. По этой причине поверхностные воды аккумулируют солнечную энергию, а затем медленно её отдают в окружающее пространство. Выравнивание температуры на поверхности Земли происходит исключительно благодаря круговороту воды. Кроме того, снег и лед имеют очень высокую отражающую

способность: она превышает среднюю для земной поверхности на 30%, Поэтому на полюсах разность между поглощенной и излученной энер­гией всегда отрицательна, то есть поглощенная поверхностью энергия меньше испущенной. Так происходит терморегуляция планеты.

Обеспечение круговорота веществ — другая важнейшая функция гидросферы.

Гидросфера находится в постоянном взаимодействии с атмосфе­рой, земной корой и биосферой. Вода гидросферы растворяет в себе воздух, концентрируя при этом кислород, используемый в дальней­шем водными живыми организмами. Находящийся в воздухе углекис­лый газ, образующийся преимущественно в результате дыхания жи­вых организмов, сжигания топлива и извержения вулканов, обладает высокой растворимостью в воде и аккумулируется в гидросфере. Гид­росфера растворяет в себе также тяжелые инертные газы — ксенон и криптон, содержание которых в воде выше, чем в воздухе.

Воды гидросферы, испаряясь, поступают в атмосферу и выпадают в виде осадков, которые проникают в горные породы, разрушая их. Так вода участвует в процессах выветривания горных пород. Обломки гор­ных пород сносятся текучими водами в реки, а затем в моря и океаны или в замкнутые континентальные водоемы и постепенно отлагаются на дне. Эти отложения впоследствии превращаются в осадочные гор­ные породы.

Полагают, что главные катионы морской воды — катионы натрия, магния, калия, кальция — образовались в результате выветривания горных пород и последующего выноса продуктов выветривания река­ми в море. Важнейшие анионы морской воды — анионы хлора, брома, фтора, сульфат-ион и карбонат-ион, вероятно, происходят из атмо­сферы и связаны с вулканической деятельностью.

Часть растворимых солей систематически выводится из состава гидросферы посредством их осаждения. Например, при взаимодейст­вии растворенных в воде карбонат-ионов с катионами кальция и маг­ния образуются нерастворимые соли, которые опускаются на дно в ви­де карбонатных осадочных горных пород. В осаждении некоторых со­лей большую роль играют организмы, населяющие гидросферу. Они извлекают из морской воды отдельные катионы и анионы, концентрируя их в своих скелетах и раковинах в виде карбонатов, силикатов, фосфатов и других соединений. После смерти организмов их твердые оболочки накапливаются на морском дне и образуют мощные тол­щи известняков, фосфоритов и различных кремнистых пород. Подав­ляющая часть осадочных горных пород и такие ценные полезные ископаемые, как нефть, уголь, бокситы, разнообразные соли и т.д., образевались в прошлые геологические периоды в различных водоемах гидросферы. Установлено, что даже самые древние горные породы, аб­солютный возраст которых достигает около 1,8 млрд лет, представляют собой сильно изменившиеся осадки, образованные в водной среде. Вода используется также в процессе фотосинтеза, в результате которого образуется органическое вещество и кислород.

В гидросфере примерно около 3500 млн лет назад зародилась жизнь на Земле. Эволюция организмов продолжалась исключительно в водной среде вплоть до начала палеозойской эры, когда примерно 400 млн лет назад началось постепенное переселение животных и растительных организмов на сушу. В этой связи гидросферу рассматривают как ком­понент биосферы (биосфера — сфера жизни, область обитания живых организмов).

Живые организмы распространены в гидросфере крайне неравно­мерно. Количество и многообразие живых организмов в отдельных участках поверхностных вод определяется многими причинами, в том числе комплексом факторов внешней среды: температурой, солено­стью воды, освещенностью, давлением. С увеличением глубины огра­ничивающее действие освещенности и давления возрастает: количест­во поступающего света резко уменьшается, а давление, наоборот, ста­новится очень высоким. Так, в морях и океанах заселены в основном литоральные зоны, то есть зоны не глубже 200 м, наиболее прогревае­мые солнечными лучами.

Характеризуя функции гидросферы на нашей планете, В. И. Вер­надский отмечал: «Вода определяет и создает всю биосферу. Она со­здает основные черты земной коры, вплоть до магматической оболоч­ки».

Атмосфера

Атмосфера (от греч. atmos — пар, испарение и sphaira — шар) — обо­лочка Земли, состоящая из воздуха.

В состав воздуха входит ряд газов и взвешенные в них частицы твердых и жидких примесей — аэрозолей. Масса атмосферы оценива­ется в 5,157 х 10¹⁵ т. Столб воздуха оказывает давление на поверхность Земли: среднее атмосферное давление на уровне моря — 1013,25 гПа, или 760 мм рт. ст. Давление величиной 760 мм рт. ст. приравнено, к внесистемной единице давления — 1 атмосфере (1 атм.). Средняя температура воздуха у поверхности Земли — 15 °С, при этом температура изменяется примерно от 57 °С в субтропических пустынях до 89 °С в Антарктиде.

Атмосфера неоднородна. Различают следующие слои атмосферы: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу, кото­рые отличаются по особенностям распределения температуры, плот­ности воздуха и некоторым другим параметрам. Участки атмосферы, занимающие промежуточное положение между этими слоями, соот­ветственно называют тропопаузой, стратопаузой и мезопаузой.

Тропосфера — нижний слой атмосферы высотой от 8-10 км в по­лярных широтах и до 16-18 км в тропиках. Тропосфера характери­зуется падением температуры воздуха с высотой — с удалением от поверхности Земли на каждый километр температура уменьшается примерно на 6°С. Плотность воздуха быстро убывает. В тропосфере сосредоточено около 80% всей массы атмосферы.

Стратосфера располагается на высотах в среднем от 10-15 км до 50-55 км от поверхности Земли. Стратосфера характеризуется повы­шением температуры с высотой. Возрастание температуры происхо­дит по причине поглощения озоном, находящимся в этом слое атмо­сферы, коротковолновой радиации Солнца, прежде всего УФ (ультра­фиолетовых) лучей. При этом в нижней части стратосферы до уровня около 20 км температура мало меняется с высотой и может даже не­значительно уменьшаться. Выше температура начинает возрастать — сначала медленно, а с уровня 34-36 км намного быстрее. В верхней части стратосферы на высоте 50-55 км температура достигает 260-270 К.

Мезосфера — слой атмосферы, расположенный на высотах 55-85 км. В мезосфере температура воздуха с увеличением высоты уменьшает­ся — примерно с 270 К на нижней границе до 200 К на верхней границе.

Термосфера простирается на высотах примерно от 85 км до 250 км от поверхности Земли и характеризуется быстрым повышением тем­пературы воздуха, достигающей на высоте 250 км 800-1200 К. Повы­шение температуры происходит вследствие поглощения этим слоем атмосферы корпускулярной и рентгеновской радиации Солнца; здесь тормозятся и сгорают метеоры. Таким образом, термосфера выполняет функцию защитного слоя Земли.

Выше тропосферы находится экзосфера, верхняя граница которой условна и отмечается высотой примерно 1000 км над поверхностью Земли. Из экзосферы атмосферные газы рассеиваются в мировое пространство. Так происходит постепенный переход от атмосферы к межпланетному пространству.

Атмосферный воздух вблизи поверхности Земли состоит, из раз­личных газов, преимущественно из азота (78,1% по объему) и кисло­рода (20,9% по объему). В состав воздуха в небольшом количестве так­же входят следующие газы: аргон, углекислый газ, гелий, озон, радон, водяной пар. Кроме того, воздух может содержать различные переменные компоненты: оксиды азота, аммиак и др.

Помимо газов в состав воздуха входит атмосферный аэрозоль, ко­торый представляет собой взвешенные в воздухе очень мелкие твердые и жидкие частицы. Аэрозоль образуется в процессе жизнедеятельности организмов, хозяйственной деятельности человека, вулканических извержений, подъема пыли с поверхности планеты и из космической пыли, попадающей в верхние слои атмосферы.

Состав атмосферного воздуха до высоты порядка 100 км в .целом постоянен, во времени и однороден в разных районах Земли. При этом содержание переменных газообразных компонентов и аэрозолей не­одинаково. Выше 100-110 км происходит частичный распад молекул кислорода, углекислого газа и воды. На высоте около 1000 км начина­ют преобладать легкие газы — гелий и водород, а еще выше атмосфера Земли постепенно переходит в межпланетный газ.

Водяной пар — важная составная часть воздуха. Он поступает в ат­мосферу при испарении с поверхности, воды и влажной почвы, а также путем транспирации растениями. Относительное содержание водяно­го пара в воздухе меняется у земной поверхности от 2,6% в тропиках до 0,2% в полярных широтах. С удалением от поверхности Земли ко­личество водяного пара в атмосферном воздухе, быстро падает, и уже на высоте 1,5-2 км убывает наполовину. В тропосфере ввиду пониже­ния температуры водяной пар конденсируется. При конденсации во­дяного пара образуются облака, из которых выпадают атмосферные осадки в виде дождя, снега, града. Количество осадков, выпавших на Землю, равно количеству испарившейся с поверхности. Земли воды. Избыток водяного пара над океанами переносится на континенты воздушными потоками. Количество водяного пара, переносимого в атмо­сфере с океана на континенты, равно объему стока рек, впадающих в океаны.

Озон сосредоточен на 90% в стратосфере, остальная его часть находится в тропосфере. Озон поглощает УФ-радиацию Солнца, кото­рая негативно воздействует на живые организмы. Районы с пониженным содержанием озона в атмосфере называют озоновыми дырами.

Наибольшие колебания толщины озонового слоя наблюдаются в вы­соких широтах, поэтому вероятность возникновения озоновых дыр в районах, близких к полюсам, выше, чем у экватора.

Углекислый газ поступает в атмосферу в значительном количестве. Он постоянно выделяется в результате дыхания организмов, горения, извержения вулканов и других процессов, происходящих на Земле. Однако содержание углекислого газа в воздухе мало, поскольку ос­новная его масса растворяется в водах гидросферы. Тем не менее отме­чается, что за последние 200 лет содержание углекислого газа в атмо­сфере увеличилось на 35%. Причина такого существенного увеличе­ния - активная хозяйственная деятельность человека.

Главным источником тепла для атмосферы является поверхность Земли. Атмосферный воздух достаточно хорошо пропускает к земной поверхности солнечные лучи. Поступающая на Землю солнечная ра­диация частично поглощается атмосферой - главным образом, водя­ным паром и озоном, но подавляющая ее часть достигает земной по­верхности.

Суммарная солнечная радиация, достигающая поверхности Земли, частично отражается от нее. Величина отражения зависит от отражающей способности конкретного участка земной поверхности, так назы­ваемого альбедо. Среднее альбедо Земли — около 30%, при этом разница между величиной альбедо от 7-9% для чернозема до 90% для свежевыпавшего снега. Нагреваясь, земная поверхность выделяет тепловые лучи в атмосферу и нагревает ее нижние слои. Помимо основного ис­точника тепловой энергии атмосферы - теплоты земной поверхности; тепло в атмосферу поступает в результате конденсации водяного пара, а также путем поглощения прямой солнечной радиации.

Неодинаковый разогрев атмосферы в разных областях Земли вы­зывает неодинаковое распределение давления, что приводит к переме­щению воздушных масс вдоль поверхности Земли. Воздушные массы перемещаются из областей с высоким давлением в области с низким давлением. Такое движение воздушных масс называют ветром. При определенных условиях скорость ветра может быть очень большой, до 30 м/с и более (более 30 м/с — уже ураган).

Состояние нижнего слоя атмосферы в данном месте и в Данное вре­мя называют погодой. Погода характеризуется температурой воздуха, осадками, силой и направлением ветра, облачностью, влажностью воз­духа и атмосферным давлением. Погода определяется условиями цир­куляции атмосферы и географическим положением местности. Она наиболее устойчива в тропиках и наиболее изменчива в средних и высоких широтах. Характер погоды, ее сезонная динамика зависят от климата на данной территории.

Под, климатом понимаются наиболее часто повторяющиеся для данной местности особенности погоды, сохраняющиеся на протяже­нии длительного времени. Это усредненные за 100 лет характеристи­ки — температура, давление, количество осадков и др. Понятие клима­та (от греч, klima — наклон) возникло еще в Древней Греции. Уже тогда понимали, что погодные условия зависят от угла, под которым солнеч­ные лучи падают на поверхность Земли. Ведущим условием установ­ления определенного климата на данной территории является количе­ство энергии, приходящейся на единицу площади. Оно зависит от суммарной солнечной радиации, падающей на земную поверхность, и от альбедо этой поверхности. Так, в районе экватора и у полюсов тем­пература мало меняется в течение года, а в субтропических областях и в средних широтах годовая амплитуда температур может достигать 65 °С. Основными климатообразующими процессами являются теп­лообмен, влагообмен и циркуляция атмосферы. Все эти процессы име­ют один источник энергии — Солнце.

Атмосфера является непременным условием для всех форм жизни. Наибольшее значение для жизнедеятельности организмов имеют сле­дующие газы, входящие в состав воздуха: кислород, азот, водяной пар, углекислый газ, озон. Кислород необходим для дыхания подавляюще­му большинству живых организмов. Азот, усваиваемый из воздуха не­которыми микроорганизмами, необходим для минерального питания растений. Водяной пар, конденсируясь и выпадая в виде осадков, яв­ляется источником воды на суше. Углекислый газ — исходное вещест­во для процесса фотосинтеза. Озон поглощает вредное для организ­мов жесткое УФ-излучение.

Предполагают, что современная атмосфера имеет вторичное проис­хождение: она образовалась после завершения образования планеты около 4,5 млрд лет назад из газов, выделяемых твердыми оболочками Земли. В течение геологической истории Земли атмосфера под влия­нием различных факторов претерпевала значительные изменения своего состава.

Развитие атмосферы зависит от геологических и геохимических процессов, происходящих на Земле. После возникновения жизни на нашей планете, то есть примерно 3,5 млрд лет назад, на развитие атмо­сферы начали оказывать существенное влияние и живые организмы. Значительная часть газов — азот, углекислый газ, водяной пар — воз­никла в результате извержения вулканов. Кислород появился около 2 млрд лет назад как результат деятельности фотосинтезирующих орга­низмов, первоначально зародившихся в поверхностных водах океана.

В течение последнего времени происходят заметные изменения в атмосфере, связанные с активной хозяйственной деятельностью че­ловека. Так, согласно наблюдениям, за последние 200 лет произошел существенный рост концентрации парниковых газов: содержание угле­кислого газа возросло в 1,35 раза, метана — в 2,5 раза. Значительно увеличилось содержание многих других переменных компонентов в со­ставе воздуха.

Происходящие изменения состояния атмосферы — увеличение концентрации парниковых газов, озоновые дыры, загрязнение возду­ха — представляют собой глобальные экологические проблемы совре­менности.