§ 8.2. Вещественный состав и строение земной коры

Химический и минеральный состав Земли

Анализ химического и минерального состава Земли имеет существенный теоретический и практический интерес: он может приоткрыть многие тайны образования и эволюции нашей планеты и дать ключ к более эффективному поиску минеральных ресурсов. О среднем составе Земли судят по веществу, из которого состоят метеориты, так как считается, что именно из этого материала в свое время произошли планеты Солнечной системы, в том числе Земля [12, 24, 27, 35 и др.]. Выделяют каменные (97,7% всех находок), железокаменные (1,3%) и железные (5,6%) метеориты. Их химический анализ позволяет предположить, что в составе Земли преобладает железо (30-36%), кислород (29-31%), кремний (14-15%) и магний (13-16%). Кроме того, количество серы, никеля, алюминия и кальция измеряется единицами процентов каждый. Все остальные элементы присутствуют в количестве, меньшем 1%.

Наиболее достоверные сведения имеются о химическом составе самой верхней части земной коры материков, доступной для непосредственного наблюдения и анализа [12, 24, 27, 35 и др.]. Первые данные были опубликованы в 1889 г. американским ученым Ф. Кларком, который получил их как средние арифметические имевшихся в его распоряжении 6000 результатов химического анализа различных горных пород. В дальнейшем эти данные уточнялись. В составе земной коры наиболее распространены следующие восемь химических элементов, составляющих в сумме свыше 98% по весу: кислород (46,5%), кремний (25,7%), железо (6,2%), кальций (5,8%), магний (3,2%), натрий (1,8%), калий (1,3%). Еще пять элементов содержатся в земной коре в количестве десятых долей процента: титан (0,52%), углерод (0,46%), водород (0,16%), марганец (0,12%), сера (0,11%). На все остальные элементы приходится около 0,37%.

В 1924 г. норвежский исследователь В.М. Гольдшмит предложил широко используемую и в настоящее время геохимическую классификацию химических элементов, разделив их на четыре группы:

◊ сидерофильная группа химических элементов включает в себя элементы семейства железа, платиновые металлы, а также молибден и рений (всего 11 элементов), по геохимическим особенностям близкие железу;

◊ литофильные элементы составляют группу из 53 элементов, составляющих основную массу минералов земной коры (литосферы): кремний, титан, цирконий, фтор, хлор, алюминий, натрий, калий, магний, кальций и т.д.;

◊ халькофильная группа химических элементов представлена серой, сурьмой, висмутом, мышьяком, селеном, теллуром и рядом тяжелых цветных металлов (медь и др.) - всего 19 элементов, склонных к образованию природных сульфидов, селенидов, теллуридов, сульфосолей и иногда встречающихся в самородном состоянии (золото, серебро, ртуть, висмут, мышьяк и др.);

◊ к атмофильной группе причислены химические элементы (азот, водород, благородные газы), типичные для земной атмосферы, в составе которой они присутствуют в виде свободных атомов или молекул.

Земную кору слагают разные группы горных пород, различающихся условиями образования и составом. Горные породы представляют собой минеральные агрегаты, т.е. определенное сочетание минералов. Минералами называют природные химические соединения или самородные химические элементы, которые возникли в результате определенных физико-химических процессов, протекающих в земной коре и на ее поверхности. Большинство минералов представляет собой кристаллические тела, и лишь немногие из них - аморфные. Формы природных кристаллов разнообразны и зависят от закономерного расположения в пространстве микрочастиц — атомов, ионов, молекул, образующих структуру кристаллов, или их кристаллическую (пространственную) решетку. Для формирования этой структуры большое значение имеют физико-химические и термодинамические условия. Так, графит — самый мягкий (твердость 1) минерал - образует таблитчатые кристаллы, а алмаз - самый твердый минерал (твердость 10) - имеет самую совершенную кубическую группу симметрии. Такая разница в свойствах связана с разницей в расположении атомов в кристаллической решетке.

В настоящее время известно более 2500 природных минералов, не считая разновидностей, но только немногие (около 50) - породообразующие - участвуют в образовании горных пород, слагающих земную кору. Остальные минералы в горных породах встречаются в виде незначительных примесей и называются акцессорными минералами. Классификация минералов основана на их химическом составе и кристаллической структуре. Главнейшие породообразующие и рудные минералы объединяются в несколько минеральных классов:

◊ самородные элементы: самородное золото, серебро, медь, платина, графит, алмаз, сера;

◊ сульфиды: пирит, халькопирит, галенит, киноварь;

◊ галоидные соединения: галит (поваренная соль), сильвин, карналлит и флюорит;

◊ оксиды и гидрооксиды: кварц, опал, магнетит (магнитный железняк), гематит, корунд, лимонит, гетит;

◊ карбонаты: кальцит (известковый шпат), прозрачная разность которого называется исландским шпатом, доломит;

◊ фосфаты: апатит, фосфорит;

◊ сульфаты: гипс, ангидрит, мирабилит (глауберова соль), барит;

О вольфраматы: вольфрамит;

◊ силикаты: кварц, оливин, берилл, пироксены, роговая обманка, слюды, змеевик, тальк, глауконит, полевые шпаты.

Особый класс минералов составляют силикаты. В этот класс входят наиболее распространенные в земной коре (более 90% по весу) породообразующие минералы, чрезвычайно сложные по химическому составу и участвующие в строении всех типов горных пород, в первую очередь магматических и метаморфических. Они составляют примерно треть всех известных минералов. Иногда в силикаты включают кварц. Основу кристаллической решетки силикатов составляет ионная четырехвалентная группировка SiO₄.

Еще древние рудокопы подметили, что в рудных месторождениях отдельные минералы всегда встречаются совместно. Совместное нахождение минералов обозначается термином «парагенезис» или «парагенез» (греч. «пара» - возле, подле). Для каждого процесса минералообразования характерны свои закономерные сочетания минералов. В качестве примеров парагенезиса можно привести кварц и золото, халькопирит и серебряные руды. Знание парагенезиса минералов облегчает задачу поиска полезных ископаемых по их спутникам. Так, спутник алмаза пироп (разновидность граната) помог в свое время открыть коренные месторождения алмазов в Якутии.

Определенное сочетание минералов, как указывалось выше, образует горные породы - природные агрегаты минералов более или менее постоянного минералогического и химического состава, образующие самостоятельные геологические тела, слагающие земную кору. Форма, размеры и взаимное расположение минеральных зерен обусловливают структуру и текстуру горных пород. Слагающие земную кору горные породы в большинстве своем представляют агрегат многих минералов, реже они состоят из зерен одного минерала. Минеральный состав, строение и формы залегания горной породы отражают условия ее образования.

По происхождению горные породы разделяют на три группы:

1. магматические горные породы, образующиеся в результате внедрения (интрузивные породы) в земную кору или извержения на поверхность магмы (эффузивные породы). Излившаяся на поверхность магма называется лавой. С магматическими связаны многие месторождения металлических полезных ископаемых, а также апатитов, алмазов и т.д.;

2. осадочные горные породы, образовавшиеся при осаждении разрушенных магматических пород и некоторыми другими путями в океане, морях, озерах и реках. В их составе выделяют обломочные, глинистые, химические и органогенные. Как полезные ископаемые имеют значение следующие осадочные породы: нефть, газ, уголь, торф, бокситы, фосфориты и др.;

3. метаморфические породы, т.е. преобразованные и из магматических, и из осадочных. В метаморфических условиях формируются железные, медные, полиметаллические, урановые и другие руды, а также графит, драгоценные камни, огнеупоры и т.п. Иногда из группы метаморфических выделяют как самостоятельный класс метасоматические горные породы, образовавшиеся в результате метасоматизма - процесса замещения одних минералов другими с существенными изменениями химического состава горной породы, но с сохранением ее объема и твердого состояния при воздействии растворов высокой химической активности. При этом происходит миграция химических элементов.

Типы земной коры

Из осадочных, магматических и метаморфических горных пород, залегающих выше границы Мохо, состоит вся земная кора. Соотношение различных типов горных пород в составе коры изменяется в зависимости от рельефа Земли и геологической структуры. В пределах континента выделяются равнины и горные области, в океанах — подводные окраины материков (шельф до глубины около 200 м, континентальный склон с подножием до глубин 2,5-3,0 км), ложе (с преобладающими глубинами 4—6 км), глубоководные желобы (до 10-11 км и более) и срединно-океанские хребты.

Обычно выделяют четыре главных типа земной коры: континентальный, океанский, субконтинентальный и субокеанский [10, 12, 30, 35].

Континентальный тип земной коры имеет различную мощность (толщину): в пределах континентальных равнин — платформ - 35-40 км, в молодых горных сооружениях - 55-70 км. Максимальная мощность (около 70-75 км) установлена под Гималаями и Андами. В строении континентальной коры участвуют две главные части: осадочная, состоящая из осадочных горных пород; консолидированная, сложенная магматическими и метаморфическими породами, которая обычно разделяется на гранитный (гранитогнейсовый) и базальтовый (гранулито-базальтовый) слои. Для всех слоев земной коры характерна переменная мощность. Так, мощность осадочного слоя колеблется от нуля (на щитах - Балтийском, Алданском и др.) до 5 км в пределах континентальных равнин и только в крупных прогибах консолидированной коры увеличивается до 8-10 км и более. В орогенных областях в предгорных и межгорных прогибах этот слой достигает 15-20 км. Мощность гранитного слоя изменяется от 10 до 25 км в зависимости от общей мощности земной коры, на равнинах она составляет примерно 15-20 км, в горных районах - 20-25 км. Базальтовый слой также обладает изменчивой мощностью - от 10-15 до 20 км в пределах платформ и до 25-35 км в некоторых горных сооружениях.

Океанский тип земной коры, характерный для ложа Мирового океана, резко отличается от континентального как по мощности, так и по составу. В нем отсутствует гранитный слой, а мощность колеблется от 5 до 12 км, в среднем составляя 6-7 км. Состоит он из трех слоев: 1) первый (верхний) слой рыхлых морских осадков имеет мощность от первых сотен метров до 1 км, реже больше; 2) второй слой имеет мощность от 1 до 1,5-3 км. По данным бурения, слой представлен базальтовыми лавами с подчиненными прослоями кремнистых и карбонатных пород; 3) третий слой мощностью 3,5-5 км пока не пройден бурением.

Субокеанский тип земной коры характерен для глубоководных котловин окраинных и внутренних морей (южная котловина Каспийского, Черное, Средиземное, Охотское и другие моря). Особенность строения этого типа земной коры — большая мощность осадочных пород (до 4—10 км, местами до 20 км). Подобное строение коры характерно и для некоторых глубоких впадин на суше, например для центральной части Прикаспийской низменности (впадины).

Субконтинентальный тип земной коры характерен для островных дуг (Алеутской, Курильской и др.) и окраин материков. По строению он близок к материковому типу, но имеет меньшую мощность (20—30 км). Особенностью субконтинентальной коры островных дуг является нечеткость разделения слоев консолидированной коры.

Последние геофизические данные и материалы уникальной сверхглубокой Кольской скважины глубиной свыше 12 км позволяют говорить о гораздо более сложной структуре земной коры и иначе подойти к истолкованию строения земной коры, стимулируя создание ее новых моделей. Например, в модели Н.И. Павленковой консолидированная часть континентальной коры (ниже осадочного слоя) в отличие от описанной двухслойной модели разделяется на три слоя. Более того, представленная двухслойная модель консолидированной части континентальной коры с выделением гранитного и базальтового слоев оспаривается многими сейсмологами. Геофизические исследования свидетельствуют о полной неопределенности в положении границы между этими слоями. Это подтвердили итоги бурения Кольской сверхглубокой скважины. По предварительным сейсмическим данным, эта скважина должна была вскрыть базальтовый слой на глубине около 7 км, однако этого не произошло, оказалось, что сейсмическая граница проходит внутри однообразной толщи метаморфических пород.

Это еще раз подчеркивает, что строение земной коры и Земли в целом отличается большой сложностью и разнообразием вследствие различной истории ее формирования и различного характера протекающих в ней процессов. Многое еще остается неясным, особенно в интерпретации вещественного состава нижних слоев континентальной коры.