Химический состав земной коры

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛИТОСФЕРЫ

Образование литосферы

После того как масса планеты достигла приблизительно современного значения около 4,6 млрд. лет назад, началось ее само­разогревание. Источников тепла было два – гравитационное сжа­тие и радиоактивный распад. В результате температура внутри Земли стала повышаться и началось плавление металлов. Мантия образовалась в результате дифференциации первичного вещества по плотности. Железо и никель, опустившись, сконцентрировались в ядре, а в мантии накопилось относительно легкое вещество - пиролит. Процесс дифференциации вещества мантии продолжается и в настоящее время.

Строение Земли

При современных технических средствах мы не можем непо­средственно наблюдать и изучать глубинные слои Земли. Самая глубокая буровая скважина на Земле не достигает 8 км.Более глубокие слои изучаются косвенными геофизическими методами, на основании которых можно лишь строить гипотезы. Наиболее важным является сейсмический метод, который по скорости распространения в Земле упругих волн, вызванных землетрясением или искусственными взрывами, дает возможность судить об упругих свойствах вещества, залегающего на разной глубине. Так на основании многочисленных измерений установлено, что скорость распространения сейсмических волн меняется скачкообразно на определенных глубинах. Это связано, прежде всего, со скачкообразным изменением плотности слоев Земли (Таблица 8.2.1).

Первая зона раздела, называемая зоной Мохоровичича, находится на средней глубине 33 км, вторая – на средней глубине 2900 км.Эти зоны делят Землю на три основных слоя: кору, мантию и ядро (Рисунок 8.2.1).

Кора– верхняя твердая каменная оболочка Земли. По физическим свойствам кору делят на три слоя: осадочный, гранитный и базальтовый (Рисунок 8.2.2). По мощности и строению выделяют два основных типа коры: материковый и океанический,

Рисунок 8.2.1 – Оболочки Земли, выделяемые по скорости прохождения сейсмических волн

(Богомолов, Судакова, 1971)

в промежуточной полосе между ними находится кора переходного типа. Материковая кора имеет среднюю толщину 35 км (до 80 кмв горных странах) и состоит из трех слоев: осадочный мощно­стью 0 – 15 км, гранитный средней мощностью 10 км и базальтовый средней мощностью 20 км. Осадки представлены в основном глинами, песками и известняками. Толщина океанической коры в среднем 5 км: осадочный слой имеет толщину около 1,5 км, гранитный слой отсутствует, базальтовый имеет мощность около 5 км. Названия гранитный и базальтовый им даны не за их минералогический состав, а потому что скорость прохождения сейсмических волн в этих слоях соответствует скорости сейсмических волн в граните и базальте.

Рисунок 8.2.2 – Строение земной коры: 1 – вода, 2 – осадочный слой, 3 – гранитный слой,

4 – базальтовый слой, 5 – мантия (Неклюкова, 1975)

В жизни земной коры происходят непрерывные изменения – идет формирование и развитие больших прогибов и поднятий. В областях стабильных, так назы­ваемых платформенных, поднятия и прогибы измеряются сотнями километров, а скорость вертикальных движений измеряется долями миллиметра в год. В подвижных, так назы­ваемых геосинклинальных зонах, прогибы и поднятия имеют удлинен­ную форму порядка 50 – 100 км, а скорость вертикального движе­ния порядка 1 см в год. Причина вертикальных движений кроется в мантии Земли.

Мантия – оболочка Земли, отличающаяся от коры главным образом физическими параметрами. Она состоит из окислов магния, железа и кремния, которые и образуют магму. Давление в мантии, возрастает с глубиной и достигает на границе ядра 1,3 млн. атмосфер. Плотность мантии увеличивается от 3,5 в верхних слоях до 5,5 г/см³на границе ядра. Температура вещества мантии соответственно увеличивается примерно от 500°С до 3800°С. Несмотря на высокую температуру, ман­тия находится в твердом состоянии.

На глубинах от 100 до 350 км, особенно в пределах 100 – 150 км, сочетание тем­пературы и давления тако­во, что вещество находится в размягченном или рас­плавленном состоянии. Этот слой плавления и повышен­ной активности называется астеносферой, иногда – волноводом. Конвекционные токи порождают горизонтальные астеносферные течения. Их скорость достигает нескольких десятков санти­метров в год. Эти течения привели к расколу литосферы на от­дельные глыбы и к их горизонтальному перемещению, известному как дрейф материков. В астеносфере находятся вулканические очаги и центры глубокофокусных землетрясений.

Над астеносферой проводится нижняя граница литосферы. Жизнь земной коры, ее вертикальные и горизонтальные движе­ния, вулканизм и землетрясения тесно связаны с верхней мантией. Поэтому в литосферусовременная наука включает земную кору и самую верхнюю мантию до астеносферы, до глубины около 100 км.

Мантия простирается от земной коры до глубины 2900 км, где граничит с ядром, находящимся в середине Земли.

Таблица 8.2.1 – Глубины и основные свойства геосфер (Шубаев, 1979)

Название геосферы	Глубина, км	Плотность, г/см3	Температура, ºС	Доля в общей массе, %
Земная кора	5-40 до 70	2,7-2,9		0,8
Мантия	верхняя	40-400	3,6	1400-1700	10,4
средняя	400-960	4,7	1700-2400	16,4
нижняя	960-2900	5,6	2900-4700	41,0
Ядро	2900-6371	свыше 11,5		31,5

Ядро – центральная часть Земли не совсем ясной химической и физической природы. С начала XX в. существует гипотеза, что ядро на 85 – 90% со­стоит из железа; во внешнем жидком ядре к нему добав­ляется кислород, а во внут­реннем – никель. По современным дан­ным, больше сторонников имеет гипотеза сили­катного ядра. Однако независимо от состава химических элементов для ядра, в силу особых физических условий, характерно полное вырождение химических свойств вещества. Температура ядра по­рядка 4000°С, давление в центре Земли более 3,5 млн. атмосфер. При таких условиях вещество переходит в так называемую металли­ческую фазу, электронные оболочки атомов разрушаются и обра­зуется электронная плазма отдельных химических элементов. Веще­ство становится более плотным и насыщенным свободными электро­нами. Огромные кольцевые вихри свободных электронов, возника­ющие в ядре, порождают, вероятно, постоянное магнитное поле Земли, которое прости­рается в околоземное пространство на несколько земных радиусов. Образование магнитосферы и изоляция земной природы от плазмы солнечной короны было первым и одним из важнейших условий зарождения жизни, развития биосферы и становления гео­графической оболочки.

Внешнее ядро – жидкое. Плотность внешнего ядра в верхней части около 10,0 г/см³. Внутреннее ядро– твер­дое, его плотность доходит до 13,7 г/см³.

Химический состав земной коры

Распространение химических элементов в земной коре впервые количественно оценил американский ученый Ф.У. Кларк. В его честь среднее значение относительного содержания химического элемента в земной коре принято называть кларком.

Все элементы земной коры, согласно их кларкам, можно условно разбить на две группы:

1. Элементы, имеющие большие кларки. В эту группу входят (кларки приведены по Виноградову, 1960):

кислород (О) – 47%	кальций (Са) – 2,96%
кремний (Si) – 29,5%	натрий (Na) – 2,50%
алюминий (Al) – 8,05%	калий (К) – 2,50%
железо (Fe) – 4,65%	магний (Mg) – 1,87%

Сумма этих 8 этих элементов составляет 99,03%. В эту же группу входят водород (Н – 0,1%) и титан (Ti – 0,7%). Элементы этой группы образуют самостоятельные химические соединения, их называют главными.

1. Элементы с малыми кларками. В эту группу входят все остальные элементы в земной коре, они большей частью рассеяны среди химических соединений других элементов, их называют рассеяными

За границу между группами условно принимают среднее содержание химического элемента, равное 0,1%. В земной коре преобладают легкие атомы, занимающие начальные клетки периодической системы, ядра которых содержат небольшое количество протонов и нейтронов. Также преобладают элементы с четными порядковыми номерами и атомными массами.

Процессы, происходящие в глубинах Земли, влияют на образование горных пород, на землетрясения и вулканические извержения, на медленные колебания поверхности суши и морского дна и на другие явления, преобразующие поверхность Земли. Поэтому, изучая географическую оболочку, необ­ходимо знать строение Земли и природу ее внутренних слоев.