Состояние и состав оболочек Земли
| Оболочка | Важнейшие черты химического состава | Физическое состояние |
| Атмосфера | N2, 02, С02, (Н20) инертные газы | Газ |
| Гидросфера | Соленые и пресные воды, снег и лед. Растворенные Na, Mg, Ca, Cl, SO4, HC03 | Жидкое, частично твердое |
| Живое вещество | H2O, органические вещества: углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты, скелетный материал N, Н, С, 0 | Твердое и жидкое частично коллоидальное |
| Кора | Нормальные магматические, осадочные и метаморфические породы. О, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, К | Твердое, локальное появление очагов магмы |
| Мантия | Силикатные минералы оливин-пироксенового состава и их фазовые эквиваленты высоких давлений. О, Si, Mg, (Fe) | Твердое |
| Ядро | Железо-никелевый сплав Fe - FeS - № | Верхняя часть жидкая, нижняя вероятно твердая |
Тем не менее, биосфера Земли представляет собой тонкий слой фрагментарного строения, обволакивающий всю планету и занимающий ничтожную часть ее массы по сравнению со всеми другими глубинными оболочками. В историческом плане, следуя В.И. Вернадскому, можно считать, что не только осадочная оболочка - стратисфера, но и вся континентальная кора Земли являются областью былых биосфер.
Проявления органической жизни охватывают всю биосферу, активно воздействуя на геохимические круговороты различных элементов. В состав организмов в первую очередь входят те химические элементы, которые относятся к газовым и легкоподвижным компонентам планеты и за пределами организмов образуют летучие и легкоподвижные химические соединения, с которыми связан баланс вещества атмосферы и гидросферы в первую очередь.
В биосфере присутствует огромное разнообразие живых организмов. Они по способу питания и отношению к внешней среде подразделяются на автотрофные, потребляющие неорганические минеральные вещества, и гетеротрофные, питающиеся другими организмами или органическими веществами. К первым относятся зеленые растения и некоторые микроорганизмы, ко вторым - все животные, грибы и значительная часть микроорганизмов. Однако выделяется еще небольшая группа организмов - миксотрофы, - которые сочетают оба вида питания (водные одноклеточные организмы).
Большинство организмов являются аэробными, т.е. живущими в среде с присутствием свободного кислорода воздуха. Меньшая часть, преимущественно микроорганизмов, относится к анаэробным, обитающим вне кислородной среды - нижних горизонтах почвы, на дне морских и пресноводных водоемов. Взаимоотношение живых организмов с компонентами биосферы представлено на рис. 2.
Рис. 2. Взаимоотношение различных частей биосферы.
ЛИТОСФЕРА
Литосфера в качестве научного термина как твердая верхняя оболочка Земли была предложена Э. Зюссом. В настоящее время принято считать, что земная кора является лишь частью верхней литосферы, которая занимает более обширный объем. Согласно современным представлениям, литосфера есть верхняя твердая оболочка Земли, имеющая большую прочность и переходящая без определенной четкой границы в нижележащую астеносферу, прочность материала которой относительно мала.
Астеносфера (термин предложен Дж. Бареллом в 1914 г.), представляет слой мантии, способный к вязкому и пластическому течению под действием относительно малых напряжений.
Пластичность мантии в области астеносферы позволяет литосфере двигаться как по вертикали, так и в горизонтальном направлении, что приводит к различным деформациям земной коры - горообразованию, складчатости, континентальному дрейфу. На основании результатов космогеодезических измерений и данных палеомагнетизма, можно считать доказанным, что тектоническое развитие верхних оболочек твердой Земли определяется перемещением и взаимодействием литосферных плит. В связи с этим получает признание новейшая геологическая теория, рассматривающая литосферу Земли как систему подвижных блоков - литосферных плит. При этом процессы дифференциации вещества мантии Земли и образование океанической и континентальной коры связывается с движением литосферных плит.
Согласно новой глобальной теории литосферных плит - внешняя жесткая оболочка Земли -: литосфера - находится в непрерывном движении и состоит из нескольких крупных блоков, имеющих в поперечнике многие тысячи километров - литосферных плит. Каждая литосфер пая плита перемещается по астеносфере от зон растяжения, где формируются их новые участки с океаническим типом коры, к зонам сжатия, где они сталкиваются и засасываются в глубь мантии. Схематический разрез земной коры и литосферы, показывающий указанные соотношения, показан на рис. 3.
Рис. 3. Строение земной коры и верхней мантии.
Верхний слой литосферы представлен земной корой - наиболее неоднородной твердой оболочкой Земли, сложенной минеральными ассоциациями в виде осадочных, изверженных и метаморфических горных пород. Основанием земной коры принято считать сейсмическую границу Мохоровичича (Мохо). Она находится на разной глубине и отмечает резкий скачок в возрастании скорости сейсмических волн. Проходя сквозь границу Мохо, продольные сейсмические волны увеличивают свою скорость с 6,5 до 8 км/с, а поперечные от 3,7 до 4,5 км/с. Граница эта находится на глубинах 30 - 80 км в области континентов и 15 - 5 км в области океанов. Вся сумма наших знаний по геологии, геофизике и геохимии свидетельствует о том, что дно океанов и континенты - это структуры ведущего планетарного значения. Они отличаются друг от друга строением земной коры, ее составом и характером геологического развития. Мощность земной коры в пределах континентов и океанического дна неодинакова. Современное строение земной коры, согласно данным А.Б. Ронова и А.А. Ярошевского, показано в таблице 5. В ней же указан химический состав каждого типа земной коры, выраженный в окислах. Выделены три типа земной коры: континентальный со средней мощностью 43,6 км, субконтинентальный 23,7 км и океанический 7,3 км. Разная мощность (толщина) земной коры связаны с различным составом слагающих ее горных пород. Океаническая кора состоит в основном из базальтового материала, а континентальная - из материала близкого к гранитам. Гранитные породы содержат больше кремнекислоты и меньше магния, железа и кальция, чем породы базальтовые. На континентах слои осадочных и метаморфических пород имеют прерывистый характер. Так в области развития докембрийских щитов иногда отсутствуют осадочные породы.
Таблица 5
Химический состав земной коры (%)
| Компоненты | Тип коры | Земная кора в среднем | ||
| континентальный | cубконтинен тальный | океанический | ||
| SiО2 | 57,23 | 56,88 | 48,17 | 55,24 |
| ТiО2 | 0,71 | 0,73 | 1,40 | 0,86 |
| А12О3 | 14,46 | 14,43 | 14,90 | 14,55 |
| Fe2О3 | 2,36 | 2,37 | 2,64 | 2,42 |
| FeO | 5,41 | 5,64 | 7,37 | 5,86 |
| MnO | 0,13 | 0,13 | 0,24 | 0,15 |
| MgO | 4,77 | 4,97 | 7,42 | 5,37 |
| CaO | 6,98 | 7,14 | 12,19 | 8,12 |
| Na2O | 2,40 | 2,39 | 2,58 | 2,44 |
| K2О | 1,98 | 1,90 | 0,33 | 1,61 |
| P2О5 | 0,16 | 0,16 | 0,22 | 0,17 |
| CОРГ | 0,08 | 0,07 | 0,05 | 0,07 |
| CO2 | 1,48 | 1,37 | 1,35 | 1,44 |
| SО3 | 0,12 | 0,1 | - | 0,09 |
| Shup | 0,08 | 0,08 | 0,05 | 0,08 |
| Cl | 0,04 | 0,04 | - | 0,03 |
| F | 0,03 | 0,03 | 0,02 | о!оз |
| H2O | 1,57 | 1,56 | 1,05 | 1,46 |
| Сумма | 100,99 | 99,99 | 99,98 | 99,99 |
| Объем 10 км3 | ||||
| Средняя мощность, км | 43,6 | 23,7 | 7,3 | 20,0 |
| Средняя плотность, г/см3 | 2,78 | 2,79 | 2,81 | 2,79 |
| Масса 1024г | 18,07 | 4,30 | 6,09 | 28,46 |
Строение земной коры отражается на рельефе земного шара, который имеет отчетливо выраженный асимметричный характер. По рельефу земной шар подразделяется на две основные части (полушария) - океаническую и континентальную. Так, если разделить земной шар по Тихоокеанскому побережью материков - по краевым частям Восточной Азии, западным частям Северной и Южной Америки, то он будет состоять из двух полушарий: материкового, где сосредоточены все материки вместе с Атлантическим и Индийским океанами, и океанического, занятого Тихим океаном, который имеет поверхность 165,2 млн. км, что превышает площадь всех материков вместе взятых - 148,9 млн. км2.
Наблюдаемая часть земной коры в пределах континентов по составу приближается к граниту, поэтому часто говорят о гранито-осадочно-метаморфическом слое земной коры, как наиболее изученном.
Нижний слой земной коры у основания границы Мохоровичича принято называть базальтовым. Однако это название условно, поскольку в состав этой части земной коры входят и другие породы - типа амфиболитов и габбро. Таким образом земная кора состоит из двух основных слоев: гранитного (гранито-метаморфичеекого) и подстилающего базальтового слоя, которые перекрываются осадочными породами. На дне океанов, за исключением краевых частей, прилегающих к континентам (субконтинентальная кора), гранитный слой полностью отсутствует и земная кора представлена в основном базальтовыми породами.
Общий химический состав земной коры определяется немногими химическими элементами. Их распространенность выражается следующими величинами:
| Элемент | Ионный радиус А | Весовой процент | Атомный процент | Объемный процент |
| О | 1,34 | 46,6 | 62,6 | 93,8 |
| Si | 0,34 | 27,3 | 21,2 | 0,9 |
| А1 | 0,47 | 8,4 | 6,5 | 0,5 |
| Fe | 0,69 | 6,2 | 1,9 | 0,4 |
| Са | 1,08 | 3,63 | 1,9 | 1,0 |
| Mg | 0,80 | 2,8 | 1,8 | 0,3 |
| Na | 1,24 | 2,8 | 2,6 | 1,3 |
| К | 1,68 | 1,8 | 1,4 | 1,8 |
Ведущим и наиболее распространенным элементом в земной коре является кислород (О²), входящий в структуру всех породообразующих минералов и составляющий едва ли не половину ее массы. По объему, в связи с крупными размерами иона, он занимает 93,8% пространства. Таким образом, в количественном отношении земная кора - это царство кислорода, который химически прочно связан с другими химическими элементами и в ходе геологического развития не покидает породообразующие минералы.
Среди минералов земной коры преобладают силикаты. Наиболее распространенными породообразующими минералами являются плагиоклаз, кварц, пироксен, амфибол, биотит, магнетит и другие.
Земная кора сложена горными породами различного типа и различного происхождения. Их распространенность в объемном выражении может быть представлена следующими величинами:
Осадочные породы 9,2%
Метаморфические породы 20,0%
Магматические породы 70,8%
Поверхность континентов на 80% занята осадочными породами, а океаническое дно покрыто почти полностью свежими осадками, как продуктами сноса материала континентов и деятельности морских организмов.
Распространенность химических элементов в земной коре предопределяет характер ее минерального и петрографического состава (рис. 4).
Земная кора - верхний твердый слой нашей планеты - первоначально возникла как продукт выплавления материала мантии, который в дальнейшем ходе геологической истории оказался существенно переработанным в биосфере под влиянием воздуха, воды, деятельности живых организмов. В ходе этого преобразования установилось минеральное и химическое различие между осадочными и магматическими породами, состоящее в следующем:
1. Отношение окисного железа к записному (Fe2O3 : FeO) в осадочных и изверженных породах имеет противоположное значение. В осадочных породах преобладает окисное железо. Это вызвано тем, что осадочные породы формировались в биосфере в присутствии свободного кислорода, который привел к окислению огромных масс железа, а также других поливалентных химических элементов.
2. Содержание натрия в осадочных породах значительно понижено (почти в 3 раза) по сравнению с породами изверженными, при почти одинаковом содержании калия. Это, по-видимому, связано с тем, что натрий в условиях биосферы легко выщелачивается природными водами и уносится в океан, где он аккумулируется в пелагических осадках океана.
3. Осадочные породы более обогащены Н2О и СО2, которые как компоненты встречаются в изверженных породах в довольно небольших концентрациях.
4. Осадочные породы в разном количестве, в зависимости от условий своего образования, содержат органический углерод, отсутствующий обычно в глубинных магматических породах. Органические соединения в осадочных горных породах это продукты фотосинтеза, протекавшего в биосфере Земли с незапамятных времен.
Современная континентальная кора, которая вполне удовлетворительно закартирована, может быть представлена как сложное сочетание геологических комплексов разного возраста. Они на поверхности образуют геологические провинции, характеризующиеся возрастными значениями, представленными в таблице 6. Видно, что большая часть поверхности современных континентов сложена относительно молодыми провинциями. Они представлены преимущественно фанерозойскими формациями, а среди докембрийских комплексов наиболее развиты протерозойские в возрастном интервале 1800 - 2250 млн. лет.
Таблица 6