 |
Минеральный и петрографический состав земной коры
|
|
|
|
Основы геологии
Учебное пособие
Омск
Издательство ОмГТУ
УДК 55 (075)
ББК 26.3я73
Б44
Рецензенты:
А. А. Файков, к. г.-м. н., начальник Управления природных ресурсов Министерства промышленной политики, транспорта и связи Правительства Омской области
Е. Ю. Тюменцева, к. пед. н., доцент, зав. кафедрой естественно-научных и инженерных дисциплин ГОУ ВПО ОГИС
Белькова, С. В.
Б44 Основы геологии: учеб. пособие / С. В. Белькова. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2009. – 116 с.
ISBN 978-5-8149-0667-0
В учебном пособии рассмотрены основные положения геологии: общие сведения о строении Земли, геологических процессах формирования и истории развития нашей планеты; изложены особенности строения и состава земной коры, дана краткая характеристика минералов и горных пород, слагающих земную кору. Приведены сведения по геоморфологии: общие сведения о рельефе, рассмотрены эндогенные и экзогенные процессы формирования рельефа и создаваемые ими формы рельефа, структура, функционирование и основные принципы классификации ландшафтов.
Предназначено для студентов технических вузов очной, заочной, в том числе дистанционной форм обучения, изучающих дисциплину «Науки о Земле».
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Омского государственного технического университета.
УДК 55+556.3(075)
ББК 26.3+26.35я73
© Омский государственный
ISBN 978-5-8149-0667-0 технический университет, 2009
1. ГЕОЛОГИЯ
Геология – комплекс наук о составе, строении, истории развития Земли, движениях земной коры и размещении в недрах Земли полезных ископаемых.
В состав геологии входит более двадцати дисциплин, таких как:
– минералогия – наука о минералах;
|
|
|
– петрография – наука о горных породах;
– геоморфология – изучает развитие рельефа земной поверхности;
– геотектоника – изучает строение земной коры, геологические структуры, закономерности их расположения и развития;
– инженерная геология – изучает свойства горных пород (грунтов), природные геологические и техногенно-геологические процессы в верхних горизонтах земной коры в связи со строительной деятельностью человека;
– гидрогеология – наука о подземных водах;
– сейсмология, палеонтология, геофизика и др.
Основным объектом изучения геологии является земная кора – внешняя твердая оболочка Земли, имеющая важнейшее значение для осуществления жизни и деятельности человека.
Происхождение и форма Земли
Солнечная система – сложный и многообразный мир, далеко еще не изученный. В нее входят: Солнце, девять больших планет и множество малых космических тел: в настоящее время известно более 60 спутников, около 100 000 астероидов или малых планет, примерно 1011 комет и огромное количество метеоритов. Солнечная система сформировалась в результате сжатия и вращения газопылевого облака, в центре возникла новая звезда – Солнце, а по радиусу от него сформировались планеты. В Солнце сосредоточено 99,866 % всей массы Солнечной системы, на все девять планет и их спутники приходится лишь около 0,134 % вещества Солнечной системы.
Земля является частью Солнечной системы и, наряду с Меркурием, Венерой и Марсом, относится к внутренним планетам или планетам земной группы. Она удалена от Солнца в среднем на 149,5 млн. км и обращается вокруг него за период 365,25 средних солнечных суток. Считается, что первоначально Земля была холодной. Разогрев ее недр начался, когда она достигла больших размеров. Это произошло за счет выделения теплоты в результате распада имеющихся в ней радиоактивных веществ. Недра Земли приобрели пластическое состояние, более плотные вещества сосредоточились ближе к центру планеты, более легкие – у ее поверхности. Произошло расслоение Земли на отдельные оболочки. Расслоение продолжается до настоящего времени, что является основной причиной движения в земной коре, т.е. причиной тектонических процессов.
|
|
|
Земля имеет форму геоида, т.е. фигуры, ограниченной поверхностью океана, мысленно продолженной через материки таким образом, что она всюду остается перпендикулярной к направлению силы тяжести. От этой поверхности отсчитывается «высота над уровнем моря».
Установлено, что масса Земли равна 5,976∙1024кг, объем – 1,083∙1012 км3.Земной эллипсоид вращения имеет максимальный радиус, равный 6378,25 км (радиус экватора), и минимальный радиус, равный 6356,86 км (полярный радиус), площадь поверхности – 510,2 ∙106 км2. Длина земного меридиана составляет 40008,548 км, длина экватора – 40075,704 км. Полярное сжатие обусловлено вращением Земли вокруг полярной оси, и величина этого сжатия связана со скоростью вращения Земли. Поверхность земного шара на 70,8 %
(361,1 млн. км2) занята поверхностными водами (океанами, морями, озерами, водохранилищами, реками и т.д.). Суша составляет 29,2 % (148,9 млн. км2).
Строение Земли
Земля состоит из различных веществ – от легчайших газов до самых тяжелых металлов, распределены они как по площади, так и в ее недрах неравномерно. Химический состав Земли почти не изучен. Исследована лишь часть земной коры, т.е. примерно 5 % ее объема. По современным представлениям, с поверхности земная кора в основном состоит из кислорода (50 %) и кремния (25 %). Вся же ее толща состоит из кислорода (46,8 %), кремния (27,3 %), алюминия (8,7 %), железа (5,1 %), кальция (3,6 %), натрия (2,6 %), калия (2,6 %), магния (2,1 %) и лишь 1,2% приходится на долю остальных, известных химических элементов.
Средняя плотность Земли – 5,52 г/см3, что значительно выше плотности веществ на ее поверхности. Так, плотность воздуха – 0,00129 г/см3, плотность воды – 1 г/см3, а средняя плотность пород, богатых железом, составляет
2,9–3 г/см3.
Установить внутреннее строение Земли удалось сейсмическим методом исследования. Суть этого метода состоит в том, что при взрыве колебания в Земле идут с разной скоростью в зависимости от состава и плотности горных пород. Детальное изучение внутреннего строения Земли сейсмическим методом показало, что высокая средняя плотность ее может быть объяснена наличием внутри нее тяжелого металлического ядра радиусом около 3000 км и средней плотностью 9–11 г/см3.
|
|
|
В общем виде Земля сложена несколькими концентрическими оболочками: внешними – атмосфера, гидросфера, биосфера (область распространения живого вещества, по В.И. Вернадскому), и внутренними, которые называют геосферами: земной коры, мантии и ядра. Границы между ними достаточно условны, вследствие взаимопроникновения как по площади, так и по глубине (рис. 1).
| Верхняя |
| Рис. 1. Внутренние геосферы Земли |
| F |
| Земная кора |
| Нижняя |
| Внешнее |
| Внутреннее |
| Поверхность Мохоровичича |
| 0 – 80 км |
| 400 км |
| 900 км |
| 2900 км |
| 5000 км |
| 5100 км (переходная зона) |
| 6311 км (твердое субъядро) |
| C |
| D |
| E |
| G |
| B |
| A |
  |
Земная кора – это верхняя твердая оболочка Земли, скорость распространения продольных сейсмических волн в нижней части земной коры в среднем составляет 6,5–7,4 км/с, а поперечных – 3,7–3,8 км/с. Нижняя граница земной коры проходит по слою Мохоровичича (сокращенно Мохо или М), где отмечено увеличение скоростей распространения продольных сейсмических волн до 8,2 км/с, поперечных – до 4,5–4,7 км/с.
Поверхность земной коры формируется под воздействием противоположно направленных друг к другу процессов:
§ эндогенных, включающих в себя тектонические и магматические процессы, которые ведут к вертикальным перемещениям в земной коре – поднятиям и опусканиям, т. е. создают «неровности» рельефа;
§ экзогенных, вызывающих денудацию (выполаживание, выравнивание) рельефа за счет выветривания, эрозии различных видов и гравитационных сил;
§ седиментационных (осадконакопление), заполняющих осадками все созданные при эндогенезе неровности.
Выделяют два типа земной коры: океаническую (базальтовую) и континентальную (гранитную), рис. 2.
| Земная кора |
| Верхняя мантия |
| МАГМА |
| Осадочный слой |
| Базальтовый слой |
| Гранитный слой |
| Океан |
| Рис. 2. Строение литосферы Земли |
 |
|
|
|
Океаническая кора. Длительное время океаническая кора рассматривалась как двухслойная модель, состоящая из верхнего осадочного слоя и нижнего – «базальтового». В результате проведенных детальных сейсмических исследований, бурения многочисленных скважин и неоднократных драгирований (взятие образцов пород со дна океана драгами) было уточнено строение океанической коры. По современным данным, она имеет трехслойное строение при мощности от 5 до 9 (15) км, чаще 6–7 км. Средняя плотность океанической коры (без осадков) равна 2,9 г/см3, ее масса – 6,4 · 1024 г, объем осадков –
323 млн. км3.
Океаническая корасостоит из следующих слоев:
1) осадочного слоя – верхний слой, мощность которого колеблется от нескольких сот метров до 1–1,5 км;
2) базальтового слоя – сложен подушечными лавами базальтов океанического типа, общая мощность этого слоя составляет от 1,0–1,5 до 2,5–3 км;
3) габбро – третий слой, общая мощность этого слоя изменяется в пределах 3,5–5 км.
Континентальная кора отличается от океанической по мощности, строению и составу. Ее мощность меняется от 20–25 км под островными дугами и участками с переходным типом коры до 80 км под молодыми складчатыми поясами Земли (под Андами или Альпийско-Гималайским поясом). Мощность континентальной коры под древними платформами составляет в среднем 40 км.
Континентальная кора сложена тремя слоями:
1) осадочный слой сложен глинистыми осадками и карбонатами мелководных морских бассейнов и имеет различную мощность от 0 до 15 км.
2) гранитный слой –мощность слоя составляет от 15 до 50 км.
3) базальтовый слой – мощность – 15–20 км.
Земная кора имеет алюмосиликатный состав. Из химических элементов преобладающими являются кислород, кремний и алюминий в форме силикатов и оксидов (табл. 1).
Таблица 1
Средний химический состав земной коры
| Химические соединения | Содержание, % | |
| Океаническая кора | Континентальная кора | |
| SiO2 | 61,9 | 49,4 |
| TiO2 | 0,8 | 1,4 |
| Al2O3 | 15,6 | 16,0 |
| Fe2O3 | 2,6 | 2,3 |
| FeO | 3,9 | 7,6 |
| MnO | 0,1 | 0,2 |
| MgO | 3,1 | 0,8 |
| CaO | 5,7 | 11,4 |
| Na2O | 3,1 | 2,7 |
| K2O | 2,9 | 0,2 |
Важным обстоятельством, отличающим земную кору от других внутренних геосфер, является наличие в ней повышенного содержания долгоживущих радиоактивных изотопов урана 232U, тория 237Th, калия 40К, причем их наибольшая концентрация отмечена для «гранитного» слоя континентальной коры, в океанической коре содержание радиоактивных элементов незначительно.
Мантия Земли представляет собой силикатную оболочку между ядром и подошвой литосферы. Масса мантии составляет 67,8 % от общей массы Земли (О.Г. Сорохтин, 1994). Геофизическими исследованиями установлено, что мантия может быть подразделена на верхнюю (слой В – слой Гуттенберга, до глубины 400 км), переходный слой Голицына (слой С на глубине 400–900 км) и нижнюю (слой D с подошвой на глубине примерно 2900 км).
|
|
|
Сейсмическими методами в слое В верхней мантии установлен слой менее плотных, как бы «размягченных» пластичных горных пород, называемый астеносферой. В астеносферном слое наблюдается понижение скорости сейсмических волн, особенно поперечных, а также повышенная электрическая проводимость, что свидетельствует о своеобразном состоянии вещества астеносферы – оно более вязкое и пластичное по отношению к горным породам вышележащей земной коры и нижележащей мантии, вследствие этого астеносфера не обладает прочностью и может пластично деформироваться, вплоть до способности течь даже под действием очень малых избыточных давлений.
Этот слой располагается на различных глубинах – под континентами он находится на глубине от 80–120 до 200–250 км, а под океанами – на глубине от 50–60 до 300–400 км.
Литосфера – это каменная оболочка Земли, объединяющая земную кору и подкоровую часть верхней мантии, подстилаемая астеносферой.
Ниже астеносферы скорость продольных сейсмических волн нарастает, что свидетельствует о твердом состоянии вещества. На глубине 2700–2900 км наблюдается скачкообразное падение скорости продольных волн от 13,6 км/с в основании мантии до 8,1 км/с в ядре.
Земное ядро состоит из внешнего (жидкого) ядра – слой Е и внутреннего (твердого) ядра – слой G, который также называется субъядром. Радиус субъядра примерно равен 1200–1250 км, переходный жидкий слой F между внутренним и внешним ядром имеет мощность около 300–400 км, а радиус внешнего ядра составляет 3450–3500 км (соответственно глубина – 2870–2920 км). Плотность вещества во внешнем ядре с глубиной возрастает с 9,5 до 12,3 г/см3. В центральной части внутреннего ядра плотность вещества достигает почти 14 г/см3. Все это показывает, что масса земного ядра составляет до 32 % всей массы Земли, в то время как объем всего примерно 16 % от объема Земли. Современные специалисты считают, что земное ядро почти на 90 % представляет собой железо с примесью кислорода, серы, углерода и водорода, причем внутреннее ядро имеет железоникелевый состав, что полностью отвечает составу ряда метеоритов.
Минеральный и петрографический состав земной коры
Земная кора сложена горными породами. Минералы входят в состав горных пород, а также могут создавать свои отдельные скопления. Минералы изучает наука минералогия, а горные породы – петрография.
Различают два вида минералов:
· природного происхождения;
· искусственного происхождения.
Природные минералы – это природные тела, более или менее однородные по составу и строению, являющиеся составной частью горных пород и возникающие в земной коре в результате физико-химических процессов.
Различают три основных процесса минералообразования.
1. Эндогенный (магматический) – связан с внутренними силами Земли и проявляется в ее недрах. Минералы, формирующиеся непосредственно из магматического расплава (кварц, оливин, пироксены, плакиоглазы, слюды), обладают большой твердостью, плотные, стойки к воздействию воды, кислот и щелочей.
2. Экзогенный (осадочный) – свойственен для поверхности земной коры. Минералы формируются на суше и в море.
В первом случае их создание связано с процессом выветривания под воздействием воды, кислорода и колебаний температуры (глинистые минералы – каолинит; железистые соединения – сульфиды, оксиды и т.д.).
Во втором – минералы формируются в процессе выпадения химических осадков из водных растворов (галит, сильвин).
Ряд минералов образуется в результате жизнедеятельности различных организмов – опал (образуется из геля кремнезема – продукта распада скелетных остатков кремниевых организмов), сера, пирит.
Свойства экзогенных минералов разнообразны, но большинство из них имеют низкую твердость, активно взаимодействуют с водой или растворяются в ней.
3. Метаморфический – минералы формируются в результате сложных процессов, происходящих в структуре твердых пород и минералов при различных температурах и давлениях: они изменяют свое первоначальное состояние, перекристаллизовываются, приобретают плотность и прочность (тальк, магнетит, актинолит, роговая обманка и др.).
В настоящее время известно более 5000 минералов и их разновидностей. Большинство из них встречается редко и лишь около 400 минералов имеют практическое значение: одни – из-за широкого распространения, другие – благодаря особым, ценным для человека свойствам. Иногда минералы встречается в виде самостоятельных скоплений, образуя месторождения полезных ископаемых, но чаще они входят в состав тех или иных горных пород.
Наиболее часто встречающиеся минералы, определяющие физико-механические свойства горных пород, называются породообразующими.
Искусственные минералы – результат производственной деятельности человека. В настоящее время создано более 150 минералов.
Различают два вида искусственных минералов:
1) аналоги – повторение природных минералов (алмаз, корунд, изумруд);
2) техногенные – вновь созданные минералы с заранее заданными свойствами (алит 3CaO·SiO2 – вяжущие свойства, муллит 3Al2O3·2SiO2 – огнеупорность). Такие минералы входят в состав строительных материалов.
Свойства минералов
Структура минералов
Каждый минерал имеет определенное строение и обладает присущим ему комплексом физических свойств.
Минералы обладают кристаллической структурой или бывают аморфными. Большинство минералов имеют кристаллическое строение, в котором атомы расположены в строго определенном порядке, создавая пространственную решетку. Благодаря этому многие минералы имеют вид правильных многогранников – кристаллов.
Хотя в образцах форма кристаллов не всегда идеально выражена, но в большинстве случаев удается различить какие-либо признаки кристаллического строения – грани, штриховку или постоянные углы между гранями. Типичные формы кристаллов объединены в семь кристаллографических систем, называемых сингониями. Различие между ними проводится по кристаллографическим осям и углам, под которыми эти оси пересекаются.
Существуют следующие кристаллографические сингонии (системы), табл. 2:
- кубическая (правильная) – все три оси имеют одинаковую длину и ориентированы взаимно перпендикулярно;
- тетрагональная (квадратная) – все три оси расположены взаимно перпендикулярно, причем две из них имеют одинаковую длину и лежат в одной плоскости, а третья отличается от них по длине;
- гексагональная (шестиугольная) – имеются четыре оси: три из них расположены в одной плоскости, обладают одинаковой длиной и пересекаются под углами 120° (или 60°), четвертая ось (другой длины) ориентирована перпендикулярно трем остальным;
- тригональная (ромбоэдрическая, или треугольная), имеет те же оси и углы, что и гексагональная, различие между ними проявляется в элементах симметрии. В гексагональной сингонии поперечное сечение призматической основной формы шестиугольное, в тригональной – треугольное;
- ромбическая (орторомбическая) – все оси взаимно перпендикулярны, но имеют разную длину;
- моноклинная – из трех осей разной длины две взаимно перпендикулярны, а третья расположена под острым углом к ним;
- триклинная – все три оси различны по длине и наклонены по отношению друг к другу.
Со строением и характером пространственной решетки связаны свойства кристаллических тел. Если свойства минерала одинаковы по всем направлениям, то минерал обладает изотропными свойствами, если свойства различны по разным направлениям – анизотропными свойствами.
Аморфные минералы не имеют кристаллической решетки, имеют неправильную внешнюю форму, обладают изотропными свойствами.
Таблица 2
Кристаллографические сингонии (системы)
| Кристаллографические оси | Сингония | Форма кристалла | Минерал |
| Кубическая | Куб Октаэдр Икоситетраэдр | Алмаз Пирит Галит | |
| Тетрагональная | Квадратные призмы и пирамиды | Халькопирит Рутил Циркон | |
| Гексагональная | Шестигранные (гексагональные) призмы и пирамиды | Апатит Берилл Графит | |
| Тригональная | Трехгранные (тригональные) призмы и пирамиды, ромбоэдры | Кальцит Кварц Турмалин | |
| Ромбическая | Ромбические призмы и пирамиды | Барит Сера Топаз | |
| Моноклинная | Призмы и наклонные концевые грани (пинакоиды или моноэдры) | Гипс Мусковит Авгит | |
| Триклинная | Пары граней (пинакоидов), моноэдры | Альбит Анорит Дистен (кианит) |
|
|
|
