Химический состав земной коры

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Геология – комплекс наук о составе, строении, истории развития Земли, движениях земной коры и размещении в недрах Земли полезных ископаемых. Основным объектом изучения, исходя из практических задач человека, является земная кора.

Особое развитие получила такая составная часть геологии, как инженерная геология – наука, изучающая свойства горных пород (грунтов), природные геологические и техногенно - геологические (инженерно-геологические) процессы в верхних горизонтах земной коры в связи со строительной деятельностью человека.

В современных условиях инженерная геология изучает геологическую среду для целей строительства и для обеспечения её рационального использования и охраны от неблагоприятных для человека процессов и явлений. Главная цель инженерной геологии – изучение природной геологической обстановки местности до начала строительства, а также прогноз тех изменений, которые произойдут в геологической среде, и в первую очередь в породах, в процессе строительства и эксплуатации сооружений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.  Химический состав земной коры. Понятие о кларках и их величины для основных химических элементов. Причины изменения химического состава земной коры

 

Земная кора представляет собой верхний слой Земли, который имеет нижнюю границу, или подошву, по сейсмическим данным, по слою Мохоровичича, где отмечено скачкообразное увеличение скоростей распространения упругих (сейсмических) волн до 8,2 км/с.

Земля уникальна тем, что обладает корой двух типов: континентальной  (гранитная)  и  океанической (базальтовая). Масса земной коры равна 2,8∙1019 тонн (из них 21% - океаническая кора и 79% - континентальная). Кора составляет 0,473% общей массы Земли.

Океаническая кора достаточно проста по составу и представляет собой некое трехслойное формирование. Верхний слой, мощность которого колеблется от 0,5км в срединной части океана до 15 км глубоководных дельт рек и материковых склонов, где накапливается практически весь терригенный материал, в то время как в других зонах океана осадочный материал представлен карбонатными осадками и бескарбонатными красными грубоководными глинами. Второй слой сложен подушечными лавами базальтов океанического типа, подстилаемый долеритовыми дайками того же состава. Третий слой в верхней части разреза представлен слоем габбро, который вблизи от срединных океанических хребтов подстилается серпентинитами.

Континентальная кора резко отличается от океанической по мощности, строению и составу. Мощность континентальной коры под древними платформами составляет в среднем 40км. Континентальная кора сложена тремя слоями, верхний из которых осадочный, а два нижних представлены кристаллическими породами.

Земная кора образована различными по составу и происхождению горными породами.

Земная кора имеет алюмосиликатный состав, представленный, главным образом, легкоплавкими соединениями. Из химических элементов преобладающими являются кислород (43,13%), кремний (26%) и алюминий (7,45%) в форме силикатов и оксидов.

Таблица 1

Средний химический состав земной коры

Соединение	Содержание, %
	Океаническая кора	Континентальная кора
SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO MnO MgO CaO Na2O K2O	61.9 0.8 15.6 2.6 3.9 0.1 3.1 5.7 3.1 2.9	49.4 1.4 16.0 2.3 7.6 0.2 8.0 11.4 2.7 0.2

Химический состав земной коры, %, следующий: кислород – 46,8; кремний – 27,3; алюминий – 8,7; железо – 5,1; кальций – 3,6; натрий – 2,6; калий – 2,6; магний – 2,1; другие – 1,2

  Как показывают последние данные, состав океанической коры настолько постоянен, что его можно считать одной из глобальных констант, так же как состав атмосферного воздуха или среднюю соленость морской воды. Это является свидетельством механизма ее образования.

Впервые попытался оценить средний химический состав земной коры в 1815 г. английский минералог В. Филлипс на примере, правда, всего лишь 10 элементов. В общем, он правильно определил количественную последовательность распространенности их и показал, что в неорганической природе резко преобладают кислород и оксиды кремния, алюминия и железа, подобно тому как в живой природе «царствует» четверка элементов -органогенов: кислород, водород, углерод и азот. То была эпоха накопления сведений. Затем наступило время обобщений. Наиболее значимыми исследованиями были труды американского геохимика Ф. Кларка. Он проанализировал данные по химическому составу большого количества минералов и горных пород: этих данных было более 5000.

В 1889 г. Ф. Кларк опубликовал первую сводную таблицу среднего химического состава земной коры. Это было лишь начало. Спустя 20 лет появился гораздо более капитальный труд, в котором Ф. Кларк обобщил работы почти 1000 исследователей. В этом справочнике можно было найти данные о составе горных пород, почв и вод. Вскоре Ф Кларк с помощью геолога Г. Вашингтона произвел классический расчет среднего содержания химических элементов в условном слое земной коры толщиной 16 км. Полученные данные для наиболее распространенных элементов с тех пор изменялись в незначительной степени.

Среднее содержание отдельных элементов в земной коре называют

кларками. Различают кларки весовые (массовые), атомные и объемные.

Весовые кларки – это средние массовые содержания элементов, выраженные в процентах или в граммах на грамм породы.

Атомные кларки выражают процентные количества числа атомов элементов.

Объемные кларки показывают, какой объем в процентах занимает данный элемент.

В сумме эти числа дают около 98%. Следовательно, на долю всех остальных элементов, существующих на Земле, приходится немногим более 2%.

Анализ кларковых содержаний различных химических элементов позволил установить некоторые закономерности их распространённости в земной коре:

• Кларки отдельных элементов изменяются от десятков процентов до 10-8 и ниже т. к. распространенность хим. элементов в земной коре крайне неравномерна и характеризуется большими контрастами.
• Распространенность хим. элементов связана с их положением в периодической системе. Как отмечал еще Д.И. Менделеев, наиболее распространенные элементы земной коры располагаются в начале периодической системы. С увеличением порядкового номера распространённость элементов неравномерно убывает. Таким образом, в земной коре явно преобладают легкие элементы. А.Е. Фермсан для более наглядного изображения особенностей распространения хим. элементов построил полулогарифмический график (рис. 1).

Рис. 1. Логарифмы кларков химических элементов: 1-четных; 2-нечетных.

 

На графике хорошо видны избыточные и недостаточные, или дефицитные, хим. элементы, дающие соответственно пики вверх и вниз.

• Из двух соседних элементов периодической системы кларк четного элемента, как правило, выше кларка нечетного.

Также существуют гипотезы, которые связывают закономерности распространенности химических элементов с особенностями образования земной коры как части Земли. Предполагается, что во время возникновения земной коры, существовали такие энергетические условия, которые благоприятствовали образованию химических элементов с энергией связи в ядре, соответствующей наиболее распространенным химическим элементам. Таким образом, распространенность химических элементов в земной коре в настоящее время определяется двумя видами закономерностей: обусловленными свойствами ядер химических элементов и связанными с особенностями образования земной коры как части Земли. Особенности химического состава земной коры достаточно удовлетворительно объясняются механизмом ее образования. Наиболее обоснованной и экспериментально и теоретически является гипотеза о «зонном» выплавлении вещества земной коры из мантии, разработанная А.П. Виноградовым.

Химический состав земной коры изменяется в течение геологического времени, причем эта эволюция продолжается по сей день.

Основными причинами изменения химического состава являются:

• Процессы радиоактивного распада, приводящие к самопроизвольному превышению одних химически элементов в другие, более устойчивые в условиях земной коры.
• Поступление метеорного вещества в виде метеоритов и космической пыли.
• Продолжающиеся процессы дифференциации вещества Земли, приводящие к миграции химических элементов из одной геосферы в другую.

 

 

 

 

2. Дизъюнктивные нарушения залегания горных пород

 

Дизъюнктивные нарушения – разрывы сплошности геологических тел. Общий термин для трещин, разрывов, разломов.

По происхождению дизъюнктивные нарушения делятся на нетектонические, возникающие при сокращении объёма породы, выветривании, оползнях, падении метеоритов; и тектонические, подразделяемые на разрывы без смещения (трещины) и разрывы со смещением (сбросы, взбросы, сдвиги, надвиги, шарьяжи и раздвиги).

По отношению к складчатым и другим тектоническим структурам они могут быть краевыми или граничными, внутренними и сквозными;

По глубине проявления - приповерхностными или глубинными, рассекающими земную кору и верхнюю мантию.

Разрывы в горных породах делятся на две большие группы.

К первой группе относятся трещины, представляющие собой разрывы, перемещения по которым имеют очень незначительную величину.

Во вторую группу объединяются разрывы с заметными перемещениями пород, разъединяемых разрывами.

Совокупность трещин, разбивающих тот или иной участок земной коры, называется трещиноватостью. По степени проявления трещины можно разделить на три группы: открытые, закрытые и скрытые.

• Открытые трещины характеризуются четко видимой полостью.
• В закрытых трещинах разрыв хорошо заметен невооруженным глазом, но стенки трещин оказываются сближенными до такой степени, что заметить полость по разрыву не удается.
• Скрытые трещины очень тонки и при обычных наблюдениях не заметны, но их легко обнаружить при разбивании или окрашивании горных пород.

В геометрической классификации трещин в осадочных и метаморфических породах, обладающих ясно выраженной слоистостью или имеющих неясную слоистость, но четкую сланцеватую текстуру, выделяются (Рис. 2):

а) поперечные трещины, секущие в плане слоистость или сланцеватость по направлению падения. В разрезах поперечные трещины могут быть либо вертикальными, либо наклонными;

б) продольные трещины, параллельные линии простирания, но секущие слоистость или сланцеватость в вертикальных разрезах;

в) косые трещины, секущие слоистость или сланцеватость под углом относительно простирания и направления падения;

г) согласные трещины, ориентированные параллельно слоистости, или сланцеватости как в плане, так и в разрезах.

Рис. 2. Геометрическая классификация трещин

Черный слой – слоистость; абв и а’б’в’ – поперечные трещины, где и г’д’е’ – продольные, жзк и ж’з’к’ – косые, клм - согласные

 

В массивных, а также в слоистых и сланцеватых породах нередко трещины удобнее классифицировать по углу наклона.

В таких случаях обычно выделяются следующие виды трещин: вертикальные (с углами падения от 80 до 90°), крутые (с углами падения 45 до 80°), пологие (с углами падения 10 до 45°), слабо наклоненные и горизонтальные (с углами падения от 0 до 10°).

В генетической классификации выделяются следующие типы и виды трещин:

Нетектонические трещины:

1. Первичные трещины.

2. Трещины выветривания.

3. Трещины оползней, обвалов  и провалов.

4. Трещины расширения  пород при разгрузке.

Тектонические трещины:

1. Трещины отрыва;

2. Трещины скола (скалывания);

3. Трещины раздавливания (сплющивания).

Образование нетектонических трещин в горных породах обусловлено изменениями внутренних свойств пород под влиянием сил, проявляющихся при экзогенных процессах на поверхности Земли или вблизи нее.

Первичные трещины развиваются в результате проявления внутренних сил, возникающих в породах при их усыхании, уплотнении, изменении объема и температуры и физико-химических превращениях.

Трещины выветривания. При выветривании порода теряет свою монолитность. Разрушение ее происходит главным образом за счет раскрытия и расширения ранее существовавших в ней трещин и образования новых — трещин выветривания.

Трещины оползней, обвалов и провалов. В описываемую группу объединены трещины, довольно разнообразные по происхождению. Они обычно часты и четко выражены, но имеют местное распространение.

Трещины расширения пород при разгрузке. Горные породы в земной коре находятся в сильно сжатом состоянии. Одна из основных сил, действующая повсеместно, вызывается тяжестью вышележащей толщи. При высвобождении пород от действия сжимающих сил, что происходит у поверхности Земли, в горных выработках, в бортах речных и овражных долин и при других подобных условиях, породы начинают выдавливаться в свободное пространство. В выработках выдавливаются боковые стенки, кровля и почва, стремящиеся заполнить все ее сечение; у поверхности Земли развиваются трещины отслаивания; в бортах речных долин и оврагов появляются характерные трещины бокового отпора.