Химические элементы. В конце прошлого столетия американский геохимик Франк У. Кларк (1847—1931) задался целью установить состав земной коры и, проанализировав около 6 000 горных пород, в 1889 г. впервые получил среднее содержание различных элементов. В его честь русский геохимик и минералог А. Е. Ферсман предложил среднее содержание химических элементов в земной коре называть кларками. Необходимо отметить, что термин «кларк» в настоящее время используется также и для количественной оценки среднего содержания химических элементов в атмосфере, гидросфере, живом веществе биосферы, Земле в целом, горных породах, космических объектах и т. п. Выражается в единицах массы (%, г/т и др.) или в атомных процентах.
Более поздние исследования показали, что, в целом, результаты Кларка были близки к истине.
Менее всего земная кора содержит инертных газов — гелия, неона и радона, что связано с их высокой подвижностью: они легко переходят в атмосферу, откуда рассеиваются в космическом пространстве. Одновременно земная кора пополняется космическим веществом, выпадающим в виде метеоритов и космической пыли.
В настоящее время установлено, что более чем на 80 % земная кора состоит из кислорода, кремния и алюминия (табл. 2.8).
Таблица 2.8. Кларки наиболее распространенных химических элементов
| Химический элемент | Кларк, % | Химический элемент | Кларк, % | ||||||
| наименование | символ | Наименование | Символ | ||||||
| Кислород | О | 46,6—49,1 | Натрий | Na | 2,01—2,83 | ||||
| Кремний | Si | 26,0—29,5 | Калий | К | 2,35—2,59 | ||||
| Алюминий | А1 | 7,45—8,14 | Магний | Mg | 1,79—2,35 | ||||
| Железо | Fе | 4,20—5,00 | Водород | H | до 1 | ||||
| Кальций | Са | 2,71—3,63 | И Т О Г О | более 99% | |||||
Со временем некоторые химические элементы, в частности радиоактивные, трансформируются. На этом основании предполагают, что кларки урана и тория в минувшие геологические эпохи были значительно выше, а свинца — ниже, чем сейчас. Это относится ко всем элементам и изотопам, подверженным изменениям. По А. А. Саукову, 2 млрд лет назад атомов изотопа U235, имеющего период полураспада 7,1 • 108 лет, на Земле было в 6 раз больше, чем сейчас.
Кларки химических элементов в современных горных породах следующие: в среднем в 1 м3 содержится железа 130 кг, алюминия 230 кг, меди 0,26 кг, олова 0,1 кг. В природе встречаются участки, где фактическое содержание того или иного химического элемента значительно выше его кларкового значения. Такие участки геологи исследуют с целью поиска месторождений полезных ископаемых.
Минералы. Химические элементы земной коры образуют естественные соединения, состоящие из одного, но чаще всего из нескольких элементов. Минералы (от лат. minera — руда) — однородные по составу, внутренней структуре и свойствам твердые химические соединения. Иногда к минералам относят и жидкие природные вещества — жидкую ртуть, воду, нефть.
Известно более 3 тыс. минералов, большинство из которых являются кристаллами и обычно имеют форму многогранников. В строении земной коры существенную роль играют всего несколько десятков минералов, называемых породообразующими. Наиболее распространены из них — полевые шпаты (55 %), иные силикаты (15 %), кварц (12 %), различные виды слюды (3 %), магнетит и гематит (3 %).
Минералы отличаются друг от друга по внешним признакам, к которым относят облик кристаллов: цвет самого минерала, цвет его черты, твердость, плотность, спайность - и др., а также химическому составу и структуре. Цвет черты — цвет следа, остающегося на матовой шероховатой поверхности фарфоровой пластины, оцарапанной каким-нибудь минералом. Обычно он совпадает с цветом самого минерала, но иногда резко отличается. Так, черный гепатит имеет красную черту. Под спайностью понимают способность минералов раскалываться по ровным плоскостям в определенных кристаллографических направлениях.
Чем выше природный кларк химического элемента, тем больше минералов, в которые входит этот элемент. Кислород встречается почти в половине известных минералов. Так, большое количество химически связанного кислорода находится в силикатах (от лат. silicis — кремень), относящихся к одному из важных классов минералов.
Горные породы. В земной коре минералы группируются в естественные ассоциации — горные породы. Выделяют магматические, осадочные и метаморфические породы.
Магматические (изверженные) горные породы. Они образуются при остывании расплавленных магм, поднимающихся из глубин Земли к ее поверхности. Различают глубинные породы, если магма застыла на глубине, и излившиеся, если остывание произошло уже на поверхности. Магматические породы состоят преимущественно из силикатов и алюмосиликатов, наиболее важными компонентами которых являются кремнезем и глинозем. Дальнейшая классификация ведется, прежде всего, в зависимости от содержания в породе кремнезема — ангидрида кремниевой кислоты (табл. 2.9).
Таблица 2.9. Деление магматических пород по содержанию диоксида кремния
| Породы | Содержание SiO, % | Характерные породы | |||||||||
| Глубинные | Излившиеся | ||||||||||
| Ультраосновные | Менее 40 | Дунит, пироксенит, перидотит | — | ||||||||
| Основные | 40—52 | Габбро | Базальт, долерит | ||||||||
| Средние | 52—65 | Диорит | Андезит | ||||||||
| Кислые | Более 65 | Гранит, гранодиорит | Дацит, липарит | ||||||||
Ультраосновные и основные породы содержат много оснований (соединений кальция, магния, железа и др.) и бедны кремнекислотой.
Осадочные горные породы. Они образуются путем переотложения на поверхности Земли или на дне морей, озер, болот, рек продуктов разрушения различных коренных пород. Ими покрыто более 75 % поверхности континентов. Осадочные породы накапливались и уплотнялись иногда миллионы лет. С ними связаны такие важнейшие полезные ископаемые, как нефть и природный газ, уголь, железо, алюминий, золото и др.
В зависимости от происхождения осадочные породы делят на обломочные, глинистые, химические и биохимические.
Обломочные породы. Это продукты механического разрушения коренных горных пород. Их классифицируют по размерам обломков (в мм):
грубообломочные породы....................... более 1
песчаные породы...................................... 0,1—1,0
алевритовые фракции.............................. 0,01—0,1
Обломочные породы могут быть разделены на рыхлые и сцементированные, а также на угловатые и окатанные (округленные).
Угловатые грубообломочные породы — древса (1—10 мм), щебень (10—100 мм), глыбы (более 100 мм), а округленные — гравий, галька, валуны.
Рыхлые песчаные породы — пески, а сцементированные — песчаники.
Алеврит (от греч. aleuron — мука) — разновидность рыхлой осадочной горной породы, по составу является промежуточной между песчаными и глинистыми породами. Размер главной массы зерен 0,01—0,1 мм.
Глинистые породы. Они состоят из мельчайших минеральных частиц размерами менее 0,01 мм и содержат свыше 30 % тонкодисперсных частиц размером менее 0,001 мм. По минеральному составу глины резко отличаются от типичных обломочных пород, они состоят преимущественно из кремнезема и глинозема.
Глины обладают пластичностью и низкой водопроницаемостью, благодаря которой они играют роль водоупорных горизонтов подземных вод.
Химические и биохимические породы. Они образуются в результате химических реакций или выпаривания либо при косвенном участии биологических организмов, а также при концентрации их тел и скелетов. К данной группе относятся такие широко известные породы, как бокситы, фосфориты, бурые железняки, известняки, мел, доломиты, гипс, бурые и каменные угли, горючие сланцы и др.
Метаморфические горные породы. Они образуются путем глубокого преобразования магматических и осадочных пород под действием огромных давлений и высоких температур на большой глубине. В результате получаются породы, отличающиеся от исходных минералогическим составом.
К метаморфическим породам относятся твердые глинистые и слюдянистые сланцы (получающиеся из мягкой сланцевой глины), мрамор (из известняков), кварциты (из песчаников), яшмы, серпентиниты (из ультраосновных пород) и др. Эти породы обычно более устойчивы к выветриванию, чем другие.
Геологические циклы. Взаимное расположение и очертание континентов и океанского дна постоянно изменяются. В пределах верхних оболочек Земли происходит непрерывная постепенная замена одних пород другими, называемая большим круговоротом вещества. Геологические процессы образования и разрушения гор являются величайшими энергетическими процессами в биосфере Земли.
Рис. 2.16. Схема геологического цикла Земли (по Дж. Андерсону)
В пределах литосферы горные породы постоянно, хотя и очень медленно, перемещаются, образуя геологические циклы (рис. 2.16). Геофизические процессы (извержение магмы, вулканическая активность и поднятие крупных блоков земной коры) осуществляются за счет теплоты, выделяющейся в результате распада в недрах Земли изотопов калия, урана и тория. Процессы, протекающие на земной поверхности, — эрозия, выветривание и перенос осадков, — происходят за счет энергии Солнца, трансформированной в кинетическую энергию ветра и водных потоков, а также в тепловую энергию.
Наиболее быстро движение в геологическом цикле происходит при извержении вулканов и излиянии лав в районах рифтовых долин. Круговорот осадочного вещества осуществляется за десятки и сотни миллионов лет. В экологическом масштабе времени минералы, отложившиеся в глубоководных осадках, можно считать полностью выведенными из круговорота.
