Строение и состав земной коры

План лекции

2.1. Строение Земли.

2.2. Строение земной коры.

2.3. Химический состав земной коры.

2.1. Строение Земли

Земля, как наиболее развитая планета Солнечной системы, характеризуется оболочечным строением с центральной симметрией. Оболочки Земли, или геосферы различаются составом, физическими свойствами, состоянием вещества и подразделяются на внешние, доступные для непосредственного изучения, и внутренние, исследуемые косвенным образом.

Внешние оболочки Земли - атмосфера, гидросфера и биосфера - составляет характерную особенность строения нашей планеты, и играют важную роль в формировании и развитии земной коры. Эти оболочки проникают одна в другую и находятся в постоянном взаимодействии между собой и твердыми оболочками Земли.

1. АТМОСФЕРА - масса газообразной воздушной оболочки Земли,

составляет 0,00009 % массы всей Земли. Большая часть сосредоточена в слое до высоты 16 км, выше 100 км находится одна миллионная часть массы

атмосферы.

Атмосфера подразделяется на три горизонта:

ТРОПОСФЕРА - содержит 80 % всей массы воздуха и имеет мощность 8 - 17 км.

СТРАТОСФЕРА - простирается до высоты 50-55 км. Воздух в стратосфере сильно разряжен. В пределах стратосферы находится озоновый слой

мощностью 25-30 км, который поглащает большую часть ультрафиолетовой радиации Солнца.

ИОНОСФЕРА - мощность 25-30 км. В этой части атмосферы образуется так называемые серебристые облака.

Главными компонентами атмосферы являются азот, кислород, аргон, углекислота, составляющие 99 % сухого воздуха. Важной частью атмосферы с точки зрения воздействия на геологические процессы и объекты является атмосферная влага. Воздушные массы атмосферы находятся в постоянном движении под воздействием неравномерного нагревания поверхности Земли и сил Кориолисе. Воздушные потоки переносят влагу, твердые частицы - пыли. Все многообразие явлений в тропосфере определяют погоду и климат.

2. ГИДРОСФЕРА - представляет собой совокупность водных масс, образующих океаны, моря, континентальные водоемы (озера) и водотоки. Верхняя граница гидросферы определяется уровнем поверхности открытых водоемов. Нижняя граница довольно неопределенная и соответствует температурному уровню 374 .

В составе гидросферы выделяют три основных типа природных вод. Это океаносфера (моря, океаны), воды суши и ледников. Промежуточное положение занимают: подземные воды. Общая масса гидросферы составляет 1644*10¹⁵ т, что не превышает 0,025 % общей массы Земли. Под влиянием солнечной радиации воды гидросферы находятся в непрерывном круговороте.

3. БИОСФЕРА - эта оболочка охватывает все пространство верхних горизонтов Земли, где существует органическая жизнь. Она включает в себя всю гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы. (ниже озонового слоя). В последнее время выделяют ноосферу (греч."ноос "-разум) -пространство, в пределах которого проявляется активная деятельность человека.

К внутренним геосферам относят следующие оболочки:

Центральную - ЯДРО, промежуточную - МАНТИЮ и наружную - ЗЕМНУЮ КОРУ.

Сейсмическими исследованиями выделены поверхности раздела, отделяющие друг от друга внутренние геосферы и неоднородности в их пределах. Разделы I порядка определяются резкими скачками в скоростях распространения сейсмических волн и фиксируют границы между главными оболочками - корой и мантией (раздел Мохоровичича), мантией и ядром (раздел Вихерта-Гутенберга). Разделы II порядка отмечают внутренние неоднородности в пределах оболочек Земли.

Рассмотрим каждую из внутренних геосфер. ЯДРО - внутренняя наиболее плотная оболочка Земли. Внешнее ядро находиться в состоянии, приближающемся к жидкому. На границе с мантией температура достигает 2500-3000 ,а давление около 3000 ГПа. В пределах внутреннего ядра вещество, по-видимому, существует в металлизированном или плазменном состоянии. Химический состав внешнего и внутреннего ядра одинаков - железо-никелевый.

МАНТИЯ - самая крупная промежуточная оболочка Земли. Мантия составляет 2/3 массы Земли. О составе вещества мантии имеются лишь гипотетические предположения. Строение верхней мантии под континентами и океанами существенно отличается. Установлено, что на глубине, которая в океанах близка к 50 км, а на материках 80-120 км, начинается слой пониженных сейсмических скоростей, ограниченный сверху и снизу средой с большими сейсмическими скоростями. Этот слой называется «сейсмическим волноводом» или АСТЕНОСФЕРОЙ. Под океанами астеносфера распространяется вглубь до 300-400 км, а под материками - 100 – 150 км. К астеносфере приурочено большинство очагов промежуточных землетрясений. Полагают, что в ней возникают магматические очаги - наиболее вероятная зона проявления и зарождения движений земной коры.

Промежуточный слой и нижняя мантия являются более гомогенными средами.

Геофизические данные говорят о том, что в пределах мантии преобладает твердое вещество: очаги расплава рождаются в астеносфере.

На границе земная кора - мантия температура превышает 1000 ,давление 2000 мПа. В этих условиях происходит переход вещества из: кристаллического состояния в стекловидное (аморфное). Такое состояние поддерживается высоким давлением. При резком понижении давления, например, в случае нарушения сплошности земной коры разломами, происходит выплавление вещества мантии.

2.2. Строение земной коры

ЗЕМНАЯ КОРА - это верхняя каменная оболочка Земли, сложенная магматическими, метаморфическими и осадочными горными порода и имеющими мощность от 7 до 70-80 км. Она представляет собой наиболее активный слой твердой Земли - сферу деятельности магматических и тектонических процессов. Под материками она глубоко опускается в мантию, под океанами приближается к поверхности.

Важной особенностью строения земной коры является отчетливо выраженная неоднородность, проявляющаяся как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении.

В строении земной коры выделены три оболочки, сложенные различными по составу, свойствам и происхождению горными породами.

1. СТРАТИСФЕРА (лат."стратум"-слой) сложена осадочными породами: глинами и глинистыми сланцами (42 %),песчаными (20 %), вулканическими (19 %) и карбонатными (19 %).Слой покрывает почти всю земную поверхность и в глубоких впадинах достигает 20-25 км (в среднем 3 км).

Для пород осадочного чехла характерны слабая дислоцированность, низкая плотность (средняя 2,45 г/см³), небольшие изменения.

Состав пород, слагающих стратисферу, свидетельствует об их образовании в водной среде около 3,3 млрд. лет назад.

2. ГРАНИТНАЯ ОБОЛОЧКА, названная так по сходству свойств образующих ее пород со свойствами гранитов, сложена гнейсами (37,6 %) гранодиоритами, диоритами (19,9 %),гранитами (18,1 %),а также габбро, мра морами и др. Горные породы весьма разнообразны по вещественному составу и степени дислоцированности.

Плотность оболочки изменяется от 2,6 до 2,8 г/см³.

Мощность гранитного слоя на территории СССР от 6 до 40км. Нижней границей гранитного слоя является сейсмический раздел Конрада.

3.БАЗАЛЬТОВАЯ ОБОЛОЧКА - состоит из более тяжелых кристаллических пород, которые по свойствам близки к базальтовым породам. Слой сложен магматическими породами различной степени метаморфизма, средней плотности 2,9 г/см³.Средняя мощность базальтового слоя в пределах континентальной части СССР около 20 км.

Площадная неравномерность строения земной коры проявляется в различном строении ее на континентах и в пределах океанических впадин. Участки земной коры, различающиеся типом геологического строения, называются структурными элементами.

С точки зрения закономерностей пространственного развития океаны и континенты - это структуры I порядка. Выделяют кору переходного типа: субокеаническую и субконтинентальную. В пределах структур I порядка по особенностям геологического строения выделяют структуры II порядка: на материках платформенные и геосинклинальные (горноскладчатые) области, на океанической коре - платформы и срединноокеанические хребты. Минимальная мощность коры наблюдается на платформах, максимальная - в геосинклинальных областях.

ПЛАТФОРМЫ (фр."плат"-плоский,"форм"-форма) обширные тектонические устойчивые области. Для них характерно: средние устойчивые мощности коры, горизонтальное залегание. Платформы имеют двухъярусное строение из более древнего кристаллического фундамента и перекрывающего его осадочного чехла. На территории СССР находятся Восточно-Европейская (Русская) и Сибирская платформы.

Области платформ с двухъярусным строением называют плитами.

Выходы фундамента на поверхность называются ЩИТАМИ. Например, Балтийский и Украинский щиты на Русской платформе.

ГЕОСИНКЛИНАЛИЯМИ (греч. «гео» - земля, "син" - вместе, "клин" - наклон) называются линейно вытянутые тектонические подвижные зоны. Они характеризуются большой до 70-80 км мощностью коры и ее резкими колебаниями; нарушенным залеганием горных пород; горным рельефом. В геоморфологическом плане геосинклинали представлены горноскладчатыми сооружениями: Урал, Кавказ, Памир. Коры континентального типа состоят из трех слоев. В отдельных участках материков гранитный слой эродирован. Океаническая кора отличается меньшей толщиной (6-7 км) и составом (гранитный слой отсутствует).

Тонкий (несколько сотен метров) осадочный слой залегает на базальтовом океаническом слое.

2.3. Химический состав земной коры

По данным современной геохимии, в земной коре установлено 93 химических элементов (в космосе-97). Большинство из них являются ложными, т.е. представлены смесью различных изотопов (более 360 изотопов). Лишь 22 элемента, например, натрий, фтор, фосфор, золото не имеют изотопов.

Проблема распространенности химических элементов в земной коре принадлежит к числу основных и наиболее важных проблем геохимии.

Средние содержания отдельных элементов в земной коре называют КЛАРКАМИ. Различают кларки весовые (массовые), атомные и объемные.

По А. П. Виноградову, в земной коре наиболее распространены химические элементы (%): 47,2 О₂; 27,6 Si; 8,3 Al; 5,1 Fe; 3,6 Ca; 2,64 Na; 2,6 К; 2,1 Mg; 0,6 Ti; 0,15 H; О,1 C.

Анализ кларковых содержаний элементов позволил установить некоторые закономерности их распространенности в земной коре.

1. Распространенность химических элементов в земной коре крайне неравномерна и характеризуется большим контрастом. Кларки отдельных элементов изменяются от десятков процентов до 10-8 % и ниже.

2. Распространенность химических элементов связана с их положением в периодической системе. С увеличением порядкового номера распространенность элементов неравномерно убывает.

3. Из двух соседних элементов периодической системы кларк четного элемента выше кларка нечетного. При этом наиболее высокими кларками обладают элементы, разности порядковых номеров которых равны или кратны 6, например 0(8), Si(14), Са(20), Fe(26).

4. Главными элементами - строителями литосферы являются восемь элементов - 0, Si, Al, Fe, Са, Na, К, Mg. При этом 92 % массы литосферы принадлежит кислороду.

Распространенность химических элементов в земной коре определяется двумя видами закономерностей: обусловленными свойствами ядер химических элементов и связанными с особенностями образования земной коры как части Земли. Существуют целый ряд геохимических классификаций элементов. Элементы, располагающиеся в верхней части таблицы, названы петрогенными (Si, 0, Са, К, Na, Mg, Al). 0ни слагают основную массу земной коры - горные породы и неметаллические полезные ископаемые.

Элементы находящиеся в нижней части таблицы, называются металлогенными. Они содержатся в крайне ограниченном количестве и слагают рудные месторождения (Си, Рв,Zn, Mg и др.).

Часть элементов, расположенных на границе между двумя группами (Fe, Mg и др.), играют в природе двойственную роль.

Химический состав земной коры изменяется в течение геологического времени. Основными причинами такого изменения являются:

1. Процессы радиоактивного распада, приводящие к самопроизвольному превращению, одних элементов в другие более устойчивые.

2. Поступление метеоритного вещества в виде метеоритов и космической пыли.

3. Продолжающиеся процессы дифференциации вещества Земли, приводящие к миграции элементов из одной геосферы в другую. Атомы химических элементов в земной коре образуют разнообразные сочетания друг с другом, главным образом химические соединения. Формы их нахождения достаточно многообразны, однако основной формой существования химических элементов в земной коре является минеральная.