Строение и хим. состав минералов

Земля в мировом пространстве. Основные гипотезы о происхождении земли.

Солнечная система состоит из небесных тел разнообразных по своим свойствам. В нее входят: солнце, 9 планет в том числе и земля, 10 тыс малых планет, комет и множество метеоритных тел.

Согласно гипотезе Канта-Лапласса Солнечная система образовалась из огромной туманности, вращающейся вокруг оси, а Земля сначала была в жидком состоянии, а потом стала твердым телом. Данная гипотеза пользовалась успехом более ста лет.

В 40-х годах 20 века советский ученый Шмидт выдвинул гипотезу происхождения планет солнечной системы, в том числе и земли, согласно которой солнце на своем пути пересекло и захватило одно из пылевых скоплений галактики, поэтому планеты образовались из холодных твердых частиц. Земля сначала была холодной. Разогрев ее начался, когда она достигла больших размеров, в результате распада радиоактивных веществ. Ядро земли приобрело пластичное состояние, которое в конечном счете и обусловила перераспределение вещества на планете: более плотное вещество сосредотачивалось ближе к центру, более легкое к периферии. Это перераспределение продолжается до сих пор, о чем свидетельствует тектонические процессы.

Существуют еще одна гипотеза Фесенкова, по которой принято считать, что в недрах солнца протекают ядерные процессы, которые в какой-то период привели к быстрому сжатию и увеличению скорости вращения солнца. При этом образовался длинный выступ, который потом оторвался и распался на отдельные планеты.

Сведение о земле. Строение земли.

Возраст земли состовляет 4,5-5 млрд лет. Земля представляет собой шар сплюстнутый у полюсов – элипсоид. Экватариальный радиус состовляет 6378,245 км, полярный 6356,863 км.

На основании данных изучения землетрясе­ний, определения массы и плотности Земли считают, что наша пла­нета имеет концентрическое строение и состоит из ядра и оболо­чек- промежуточной, перидотитовой и литосферы. На поверхности Земли находится водная оболочка (гидросфера), биосфера (сфера жизнедеятельности организмов) и атмосфера — газовая оболочка. Плотность оболочек скачкообразно возрастает в направ­лении к ядру.

Ядро Земли, предположительно, имеет силикатный состав с большим содержанием железа. Радиус ядра составляет около 3500 км, плотность достигает 9—11 г/см^г. Большая -плотность ядра объясняется тем, что его вещество находится под очень высоким давлением и приобрело плотность металлов. По современным пред­ставлениям температура ядра колеблется в пределах 2000—2500°, а давление составляет около 3,5 млн. ат.

Промежуточная оболочка имеет плотность 5,3—6,5 г/см³. Грани­цей ее распространения являются глубины от 900 до 2900 км. В составе значительную роль должны играть кремний, железо, маг­ний, никель.

На промежуточной оболочке залегает мантия Земли, состоящая из ультраосновных пород с плотностью 3,3—4,5 г/см³. В этой оболочке преобладают кремний и магний. Ее верхняя часть очень активна, содержит расплавленные массы. Здесь зарождаются сейсмические и вулканические явления, горообразова­тельные процессы.

Наружная часть Земли до глубины 50—70 км представлена обо­лочкой, называемой литосферой. В пределах материков она более мощная, в пределах океанов — менее. Литосферу часто называют «земной корой». Эта часть Земли наиболее изучена, так как явля­ется источником минерального сырья.

Литосфера состоит из разнообразных горных пород и минералов с плотностью в среднем 2,7—2,8 г/см³.

Геосфера земли.

Между атмосферой, гидросферой, биосферой и литосферой су­ществует постоянное взаимодействие, что существенно сказывается на составе и строении литосферы.

Большую роль в геологических процессах на Земле играет гид­росфера— водная оболочка (океаны, моря, реки, озера, материко­вые льды). Гидросфера не образует сплошного слоя и покрывает земную поверхность на 70,8%. Средняя мощность ее около 3,80 км, наибольшая — свыше 11 км (11 521 м — Марианская впадина в Ти­хом океане).

Температура воды в океане меняется не только в зависимости от широты местности (близость к полюсам или экватору), но и от глу­бины океана. Самая высокая температура воды в верхнем слое отмечена в Персидском заливе ( + 35,6° С), а наиболее низкая — в Северном Ледовитом океане (—2,8°С).

Соленость (средняя) морской воды равна 3,5% (35 г/л). В мор­ской воде содержится, кроме хлоридов, сульфатов и карбонатов, йод, фтор, фосфор, рубидий, цезий, золото и др.

Биосфера,или сфера жизнедеятельности организмов, связана с поверхностью Земли. Биосфера находится в постоянном взаимодей­ствии с литосферой, гидросферой и атмосферой.

Атмосфера,или газовая оболочка, окружает Землю слоем в 3000 км. Она состоит из трех оболочек: тропосферы, стратосферы и ионосферы.

Тропосфера — приземной слой атмосферы мощностью от 6 км—18 км. В тропосфере содержится почти 9/10 всей массы газов атмосферы. В ее состав входят азот, кислород, аргон, углекислота и другие газы, а также почти весь водяной пар.

Стратосфера — следующий за тропосферой слой, распростра­няющийся до высоты 80—90 км. Присутствие озона на высоте 30— 55 км обусловливает повышение температуры до +50° С, но на вы­соте 80—90 км она снова понижается до —60—90° С.

Ионосфера — верхняя часть атмосферы, переходящая на высоте 3000 км в межпланетное пространство. Ионосфера имеет весьма малую плотность и высокую ионизацию составляющих ее газов. На высоте 220 км зафиксировано повышение температуры до несколь­ких сот градусов.

Тепловой режим Земли.

Земля имеет два источника тепла: от солнечной радиации (99,5%) и энергии, освобождающейся в про­цессе распада радиоактивных веществ в недрах планеты. Влияние двух источников тепла обусловливает сложный характер изменений температуры в толщах горных пород.

В верхней части земной коры выделяют три температурные зо­ны: I — сезонных колебаний, II—постоянной температуры и III-нарастания температур (рис. 2). Изменение температур в зоне I определяется климатическими условиями местности. Для средних широт характерна кривая а (летний период) и кривая б (зимний период). Общая мощность зоны I достигает 12—15 м. В зимний пе­риод образуется подзона 1А,где температура опускается ниже нуля градусов. Мощностьподзоны Iа, или иначе говоря глубины про­мерзания, зависит от климата, типа горных пород и других факто­ров и колеблется от нескольких сантиметров до 2 м и более.

В районах с умеренно теплым климатом зона I характеризуется только кривой а. По мере углубления в недра Земли влияние су­точных и сезонных колебаний температур уменьшается и на глуби­не примерно 15—40 м находится зона постоянной температуры.

В пределах зоны III температура с глубиной возрастает. Вели­чина нарастания температуры на каждые 100 м глубины называет­ся геотермическим градиентом, а глубина, при которой температура повышается на один градус, называется геотермической ступенью. Средняя величина этой ступени составляет 33 м.

Сведенья о минералах

Минералы — это природные тела, имеющие определенныйхими­ческий состав и физические свойства, образующиеся в результате физико-химических процессов, протекающих в земной коре. Боль­шинство минералов твердые, но встречаются также жидкие и газо­образные.

В земной коре минералы встречаются самостоятельно, но чаще в составе горных пород. Они в известной степени определяют физи­ко-механические свойства горных пород, поэтому с этой точки зре­ния представляют наибольший интерес для инженерной геологии.

В земной коре содержится более 7000 минералов и их разновид­ностей, но большинство из них встречается редко и лишь около ста минералов встречаются наиболее часто, входя в состав главнейших горных пород. Эти минералы называют породообразующими.

Помимо природных минералов, техника создала много искусст­венных, большинство из которых в природе не встречаются.

Каждый минерал обладает определенным химическим составом, имеет определенное внутреннее строение, какие-либо особые внеш­ние признаки и характеризуется присущим ему свойством. Все это обусловливается теми процессами, при которых рождаются мине­ралы.

Минералы образуются в результате разнообразных геологичес­ких процессов. Каждый минерал может существовать в природе лишь при определенных условиях, из которых главнейшее значение имеют температура и давление. При изменении этих условий мине­ральное тело либо разрушается, либо видоизменяется.

Условия, в которых образуются минералы в природе, отличают­ся большим разнообразием и сложностью. Приближенно эти усло­вия можно разделить на три процесса: эндогенный, экзогенный и метаморфический.

Происхождение минералов.

Минералы — это природные тела, имеющие определенныйхими­ческий состав и физические свойства, образующиеся в результате физико-химических процессов, в земле. Боль­шинство минералов твердые, но встречаются также жидкие и газо­образные. Всего 7тыс видов. Все минералы делятся по происхождению на 3 группы:

Эндогенный процесссвязан с внутренними силами Земли и про­текает в ее недрах. Минералы рождаются из магмы — силикатного огненно-жидкого расплава. Магма по мере понижения t кристаллизуется, затвердевает. Таким путем образуются кварц, силикаты и другие минеральные образования. Харак­терной особенностью этого процесса является высокая t и давление. Минералы образуются плотные, с большой твердо­стью, стойкие к воде, кислотам, щелочам.

Экзогенный процесс свойствен поверхности земной коры, где протекают сложные явления взаимодействия литосферы с гидро­сферой, атмосферой и биосферой. В этом процессе минералы обра­зуются на суше, а также путем выпадения их из водных р-ров (озер, морей и др). В первом случае их образование связано с процессом выветривания, т. е. с разрушительным воздействием во­ды, кислорода, колебаний t и других факторов. Таким путем образуются минералы глинистого комплекса (гидрослюда, каолинит и др), различные железистые соединения (сульфиды, окислы и др). Путем выпадения из водных растворов образуются минералы-соли (галит, сильвин, мирабилит и др). В экзогенном процессе ряд минералов возникает также за счет жизнедеятельности различных организмов (кальцит в виде жемчуга, арагонит и др). Экзогенные минералы разнообразны по свойствам. В боль­шинстве случаев они имеют низкую твердость и активно взаимодей­ствуют с водой или растворяются в ней.

Метаморфический процесс— это перерождение ранее образовав­шихся минералов (эндогенных и экзогенных) под воздействием вы­соких t, давлений, а также магматических газов и воды. Минералы изменяют свое первоначальное состояние, проходят пере­кристаллизацию, приобретают плотность и прочность. Таким путем образуются многие минералы — силикаты (роговая обманка, акти-нолит и др.).

Строение и хим. состав минералов

Минералы обладают кристаллической структурой или бывают аморфными. Большинство минералов представлено кристалличес­ким веществом,в котором атомы расположены в строго определен­ном порядке, создавая пространственную решетку. Благодаря это­му многие минералы внешне имеют вид правильных многогранников (кристал­лов), например кварц. Со строением и характером прост­ранственной решетки связаны свойства кристаллических тел. Прежде всего ми­нералы обладают однородностью стро­ения, состава и свойств, так как в каж­дой своей части, вплоть до размеров элементарной ячейки они обладают одинаковым кристаллическим строени­ем и химическим составом. Свойства минералов могут быть одинаковыми по всем направлениям или разными по различным направлениям. В первом случае минералы наз. изотропны­ми, во втором -анизотропными.

Аморфные минералы(например, кремень, вулканическое стекло) крис­таллической структуры не имеют. Их атомы располагаются и беспорядке. Та­кие минералы по свойствам изотропны, для них характерна неправильная внешняя форма.

Каждый минерал характеризуется определенным химическим со­ставом.В отдельных случаях можно встретить минералы сходного химического состава, но в этом случае они обязательно имеют раз­личное внутреннее строение, а следовательно, и различную внеш­нюю форму.

Химический состав кристаллических минералов выражается кристаллохимической формулой, которая одновременно показывает количественные соотношения элементов и характер их взаимной связи в пространственной решетке.

Химическая формула аморфных минералов отражает лишь ко­личественное соотношение элементов.

В составе многих минералов экзогенного происхождения содер­жится вода. Молекулярная вода не участвует в строении пространст­венной решетки и ее удаление лишь обезвоживает минерал, напри­мер, гипс Са5О₄-2Н₂О, а после нагревания остается Са5О4. Хими­чески связанная вода в виде (ОН) входит составной частью в пространственную решетку, и ее удаление приводит к разрушению минерала.