Состав и строение литосферы

Литосферой называют верхнюю твердую оболочку Земли, со­стоящую из земной коры и слоя верхней мантии, подстилающего земную кору. Нижняя граница литосферы проводится на глубинах около 100 км под континентами и около 50 км под дном океана. Верхняя часть ли­тосферы (та, где существует жизнь) - составная часть биосферы.

Земная кора сложена магматическими и осадочными породами, а также метаморфическими породами, образовавшимися за счет тех и других.

Горные породы — это естественные минеральные агрегаты оп­ределенного состава и строения, сформировавшиеся в результате геологических процессов и залегающие в земной коре в виде само­стоятельных тел. Состав, строение и условия залегания горных пород обусловлены особенностями формирующих их геологических про­цессов, которые происходят в определенной обстановке внутри зем­ной коры или на земной поверхности. В зависимости от характера главных геологических процессов различают три генетических клас­са горных пород: осадочные, магматические и метаморфические.

Магматические горные породы - это естественные мине­ральные агрегаты, возникающие при кристаллизации магм (силикат­ных, а иногда и несиликатных расплавов) в недрах Земли илина ее поверхности. По содержанию кремнезема магматические породы делятся на кислые (SiO₂ - 70-90%), средние (SiO₂ > около 60%), основные ( SiO₂ около 50%) и ультра­основные (SiO₂ менее 40%). Примером магматических пород служат вулканическая основная порода и гранит.

Осадочные горные породы - это те породы, которые су­ществуют в термодинамических условиях, характерных для по­верхностной части земной коры, и образуются в результате переотло­жения продуктов выветривания и разрушения различных горных по­род, химического и механического выпадения осадка из воды, жизне­деятельности организмов или всех трех процессов одновременно. Многие осадочные породы являются важнейшими полезными иско­паемыми. Примерами осадочных пород служат песчаники, которые можно рассматривать как скопления кварца и, следовательно, концен­траторы кремнезема (SiO₂), и известняки - концентраторы СаО. К ми­нералам, наиболее распространенных осадочных пород относятся кварц (SiO₂), ортоклаз (КalSi₃O₈) каолинит (А1₄Si₄O₁₀(ОН)₈), кальцит (СаСО₃), доломит СаМg(СО₃)₂ и др.

Метаморфическими называют породы, основные особенности которых (минеральный состав, структура, текстура) обусловлены процессами метаморфизма, тогда как признаки первичного магмати­ческого происхождения частично или полностью утрачены. Мета­морфические породы - сланцы, гранулиты, эклогиты и др. Типичные для них минералы - слюда, полевой шпат и гранат соответственно.

Вещество земной коры сложено в основном легкими элемента­ми (по Fе включительно), а элементы, следующие в Периодической системе за железом, в сумме составляют лишь доли процента. Отме­чается также, что элементы, имеющие четное значение атомной мас­сы, значительно преобладают: они образуют 86% общей массы зем­ной коры. Следует отметить, что в метеоритах это отклонение еще выше и составляет в металлических метеоритах 92%, в каменных -98%.

Средний химический состав земной коры, по данным разных авторов, приведен в табл. 25:

Таблица 25

Химический состав земной коры, маc. % (Гусакова, 2004)

Элементы и окислы	Кларк, 1924	Фугт, 1931	Гольдшмидт, 1954	Полдерваатр, 1955	Ярошевский, 1971
SiO2	59,12	64,88	59,19	55,20	57,60
TiO2	1,05	0,57	0,79	1,6	0,84
Al2O3	15,34	15,56	15,82	15,30	15,30
Fe2O3	3,08	2,15	6,99	2,80	2,53
FeO	3,80	2,48	6,99	5,80	4,27
MnO	0,12	-	-	0,20	0,16
MgO	3,49	2,45	3,30	5,20	3,88
CaO	5,08	4,31	3,07	8,80	6,99
Na2O	3,84	3,47	2,05	2,90	2,88
K2O	3,13	3,65	3,93	1,90	2,34
P2O5	0,30	0,17	0,22	0,30	0,22
H2O	1,15	-	3,02	-	1,37
CO2	0,10	-	-	-	1,40
S	0,05	-	-	-	0,04
Cl	-	-	-	-	0,05
C	-	-	-	-	0,14

Ее анализ позволяет сделать следующие важные выводы:

1) земная кора сложена в основном из восьми элементов: О, Si, А1, Fе, Са, Мg, Nа, К; 2) на долю остальных 84 элементов приходится менее одного процента массы коры; 3) среди главнейших по распро­страненности элементов особая роль в земной коре принадлежит ки­слороду.

Особая роль кислорода состоит в том, что его атомы со­ставляют 47% массы коры и почта 90% объема важнейших породо­образующих минералов.

Имеется ряд геохимических классификаций элементов. В на­стоящее время получает распространение геохимическая клас­сификация, согласно которой все элементы земной коры делятся на пять групп (табл. 26).

 

Таблица 26

Вариант геохимической классификации элементов (Гусакова, 2004)

Литофильные	Халькофильные	Сидерофильные	Атмофильные	Биофильные
Li,Be,B,O,F,Na, Mg,Al,Si,Cl,K, Ca,Sc,Ti,V,Cr, Mn,Br, Rb,Sr,Y, Zr,Nb,I,Cs,Ba, La, Hf,Ta,W,Th,U	S,Fe,Co,Ni, Se Cu,Zn,Ga,As, Mo,Rh,Pd,Ag, Cd,In,Sb,Te,Hg, Tl,Pb,Bi	C,P,Fe,Co,Ni, Ge,Mo,Ru,Rh, Pb,Sn,Ta,Re,Os, Ir,Pt,Au	H,C,N,O,Cl, Br,He,Ne,Ar, Cr,Xe,Rn	O,C,H,P,N, S,Fe,Ca

Литофильные - это элементы горных пород. На внешней обо­лочке их ионов находится 2 или 8 электронов. Литофильные элемен­ты трудно восстанавливаются до элементарного состояния. Обычно они связаны с кислородом и составляют основную массу силикатов и алюмосиликатов. Встречаются также в виде суль­фатов, фосфатов, боратов, карбонатов и гадогенидов.

Халькофильные элементы - это элементы сульфидных руд. На внешней оболочкеих ионов располагается 8 (S,Sе,Те) иди 18 (у ос­тальных) электронов. В природе встречаются в виде сульфидов, селенидов, теллуридов, а также в самородном состоянии (Сu,Нg,Аg,Рb,Zn,As,Sb,Вi,S, Sе,Те,Sn).

Сидерофильные элементы - это элементы с достраивающимися электронными d- и f-оболочками. Они обнаруживают специфическое сродство к мышьяку и сере (PtAs₂, FеАs₂, NiAs₂, FeS, NiS, МоS₂ и др.), а также к фосфору, углероду, азоту. Почти все сидерофильные элементы встречаются также и в самородном состоянии.

Атмофильные элементы - это элементы атмосферы. Боль­шинство изних имеет атомы с заполненными электронными оболоч­ками (инертные газы). К атмофильным относят также азот и водород. Вследствие вы­соких потенциалов ионизации атмофильные элементы с трудом вступают в соединения с другими элементами и потому в природе находятся (кроме Н) главным образом в элементарном (самородном) состоянии.

Биофильные элементы - это элементы, входящие в состав орга­нических компонентов биосферы (С,Н,N,О,Р,S). Из этих (в ос­новном) и других элементов образуются сложные молекулы угле­водов, белков, жиров и нуклеиновых кислот. Средний химический состав белков, жиров и углеводов приведен в табл. 27.

Таблица 27

Средний химический состав белков, жиров и углеводов, мас. % (Гусакова, 2004)

Элемент	Белки	Жиры	Углеводы
O	22,40	17,90	49,38
C	51,30	69,05	44,44
H	4,9	10,00	6,18
P	0,7	2,13
N	17,8	0,61
S	0,8	0,31
Fe	0,1

 

В настоящее время в различных организмах установлено более 60 элементов. Элементы и их соединения, требующиеся организмам в сравнительно больших количествах, часто называют макробиогенными элементами. Элементы же и их соединения, которые хотя и не­обходимы для жизнедеятельности биосистем, но требуются в крайне малых количествах, называют микробиогенными элементами. Для растений, например, важны 10 микроэлементов: Fе, Мn, Сu, Zn, В, Si, Мо, С1, W, Со.

Все эти элементы, кроме бора, требуются и животным. Кроме того, животным могут требоваться селен, хром, никель, фтор, йод, олово. Между макро- и микроэлементами нельзя провести четкую и одинаковую для всех групп организмов границу.

Процессы выветривания

Поверхность земной коры подвержена действию атмосферы, что делает ее восприимчивой к физическим и химическим процессам. Физическое выветривание является механическим процессом, в ре­зультате которого порода размельчается до частиц меньшего размера без существенных изменений в химическом составе. Когда сдержи­вающее давление коры устраняется поднятием и эрозией, устраняют­ся и внутренние напряжения в пределах подстилающих пород, по­зволяя расширившимся трещинам открыться. Эти трещины могут потом раздвинуться за счет термического расширения (вызванного суточными флуктуациями температуры), расширения воды в процес­се замерзания, а также воздействия корней растений. Другие физиче­ские процессы, например ледниковая деятельность, оползни и исти­рание песком, производят дальнейшее ослабление и разрушение твердой породы. Эти процессы важны, поскольку они значительно увеличивают поверхностные участки породы, подверженные дейст­вию агентов химического выветривания, например воздуха и воды.

Химическое выветривание вызывается водой - особенно ки­слой водой - и газами, например кислородом, который разрушает ми­нералы. Некоторые ионы и соединения исходного минерала удаляют­ся с раствором, просачивающимся через обломки минералов и пи­тающим грунтовые воды и реки. Тонкозернистые твердые вещества могут вымываться из выветриваемого участка, оставляя химически измененные остатки, которые формируют основу почв. Из­вестны различные механизмы химического выветривания:

1. Растворение. Простейшая реакция выветривания — это раство­рение минералов. Молекула воды эффективна при разрыве ионных связей, например таких, которые соединяют ионы натрия (Na⁺) и хлора (Cl^-) в галите (каменная соль). Мы можем выразить растворе­ние галита упрощенно, т.е.

NaCl_(тв) Na⁺_(водн) + Cl^-_(водн)

2. Окисление. Свободный кислород играет большую роль при разложении веществ в восстановленной форме[32]. Например, окисление восстановленного железа (Fe²⁺) и сера (S) в обычном сульфиде, пи­рите (FeS₂) приводит к образованию сильной серной кислоты (H₂SO₄):

2FeS_2(тв) + 7,5 О_2(г) + 7Н₂О_(ж) 2Fe(OH)_3(тв) + Н₂SO_4(водн).

Сульфиды часто встречаются в алеврито-глииистых породах, рудных жилах и угольных отложениях. При разработке рудных и угольных месторождений сульфид остается в отработанной породе, которая накапливается в отвалах. Такие отвалы пустой породы име­ют большие поверхности, подверженные влиянию атмосферы, где окисление сульфидов происходит быстро и в больших масштабах. Кроме того, заброшенные рудные выработки быстро затопляются грунтовыми водами. Образование серной кислоты делает дренажные воды с заброшенных рудников сильно кислыми (рН до 1 или 2). Та­кая кислотность может увеличить растворимость алюминия и стать причиной токсичности для водных, экосистем. В окисление сульфи­дов вовлечены микроорганизмы, что можно моделировать рядом ре­акций:

2FeS_2(тв) + 7О_2(г) + 2Н₂О_(ж) 2Fe²⁺+ 4Н⁺_(водн) + 4SO₄^2-_(водн) (окисление пирита), затем следует окисление железа [Fе(II)] в [Fе(III)]:

2Fe²⁺+ О_2(г) + 10Н₂О_(ж) 4Fe(OH)_3(тв) + 8Н⁺_(водн)

Окисление - происходит очень медленно при низких значе­ниях рН кислых рудниковых вод. Однако ниже рН 4,5 окисление железа катализируют Thiobacillus ferrooxidans и Leptospirillum[33]. Окисное железо может далее взаимодействовать с пиритом:

FeS_2(тв) + 14 Fe³⁺_(водн) + 8Н₂О_(ж) 15 Fe²⁺_(водн) + 2SO₄^2-_(водн) + 16Н⁺_(водн)

При значениях рН намного выше 3 железо (III) осаждается как обычный оксид железа (III), гетит (FеООН):

Fe³⁺_(водн) + 2Н₂О_(ж) FеООН + 3Н⁺_(водн)

Осажденный гетит покрывает дно ручьев и кирпичную кладку в виде характерного желто-оранжевого налета.

Восстановленные железосодержащие силикаты, например некоторые оливины, пироксены и амфиболы, также могут пре­терпевать окисление:

Fe₂SiO_4(тв) + 1/2O_2(г)+ 5H₂O_(ж) 2Fe(OH)_3(тв) + H₄SiO_4(водн)

Продуктами являются кремниевая кислота (H₄SiO₄) и коллоид­ный гидроксид железа [Fe(OH)₃], слабое основание, которое при де­гидратации дает ряд оксидов железа, например Fе₂O₃ (гематит — темно-красного цвета), FеООН (гетит и лепидокрокит — желтого цвета или цвета ржавчины). Частая встречаемость этих оксидов же­леза говорит об их нерастворимости в окислительных условиях зем­ной поверхности.

Присутствие воды ускоряет окислительные реакции, о чем сви­детельствует ежедневно наблюдаемое явление окисления металличе­ского железа (ржавчина). Вода действует как катализатор, окисли­тельный-потенциал зависит от парциального давления газообразного кислорода и кислотности раствора. При рН 7 вода в контакте с воз­духом имеет Еh порядка 810 мВ — окислительный потенциал, на­много больший того, который необходим для окисления закисного железа.

Окисление органического вещества. Окисление восстановлен­ного органического вещества в почвах катализируется микроор­ганизмами. Опосредованное бактериями окисление мертвого органи­ческого вещества до СО₂ важно с точки зрения образования кислот­ности. В биологически активных почвах концентрация СО₂ может в 10—100 раз превышать ожидаемую при равновесии с атмосферным СО₂ приводя к образованию угольной кислоты (Н₂СО₃) и Н⁺ при ее диссоциации. Чтобы упростить уравнения, орга­ническое вещество представлено обобщенной формулой для углево­да, СН₂О:

СН₂О_(тв) + О_2(г) СО_2(г) + Н₂О_(ж)

СО_2(г) + Н₂О_(ж) Н₂СО_3(водн)

Н₂СО_3(водн) Н⁺_(водн) + НСО₃^-_(водн)

Эти реакции могут понизить водный рН почв от 5,6(значение, которое устанавливается при равновесии с атмосферным СО₂) до 4— 5. Это является упрощением, поскольку органическое вещество почв (гумус) не всегда полностью разлагается до СО₂. Однако продукты частичного разрушения обладают карбоксильными (СООН) и фенольными группами, которые при диссоциации дают ионы Н⁺:

RCOOH_(водн) RCOO^- _(водн) + Н⁺_(водн)

где R означает большую органическую структурную единицу. Кислотность, накапливаемая при разложении органического вещества, используется при разрушении большинства силикатов в процессе кислотного гидролиза.

3. Кислотный гидролиз. Природные воды содержат растворимые вещества, которые придают им кислотность - это и диссоциации атмосферного СО₂ в дождевой воде, и частично диссоциация почвен­ного СО₂ с образованием Н₂СО₃, диссоциация природного и антропогенного диоксида серы (SO₂) с образованием Н₂SO₃ и Н₂SО₄. Реак­цию между минералом и кислыми агентами выветривания обычно называют кислотным гидролизом. Выветривание СаСО₃ демонстри­рует следующая реакция:

СаСО_3(тв) + Н₂СО_3(водн) Са²⁺_(водн) + 2НСО₃^-_(водн)

Кислотный гидролиз простого силиката, например богатого магнием оливина, форстерита, можно обобщить следующим образом:

Mg₂SiO_{4 (тв)} + 4H₂CO_3(водн) 2Mg²⁺⁽_водн) + 4НСО₃^-_(водн)+ H₄SiO_4(водн)

Отметим, что при диссоциации Н₂СО₃ образуется ионизирован­ный НСО₃^-, немного более сильная кислота, чем нейтральная моле­кула (Н₄SiO₄), образующаяся при разложении силиката.

4. Выветривание сложных силикатов. До сих пор мы рассматри­вали выветривание мономерных силикатов (например, оливина), кото­рые полностью растворяются (конгруэнтное растворение). Это упро­щало химические реакции. Однако присутствие измененных в процессе выветривания минеральных остатков предполагает, что более распро­странено неполное растворение. Упрощенная реакция выветривания на примере богатого кальцием анортита:

CaAl₂Si₂O_8(тв)+2H₂CO_3(водн)+H₂O_(ж) Ca²⁺_(водн)+2HCO₃^-_(водн)+ Аl₂Si₂O₅(OH)_4(тв)

Твердым продуктом реакции является каолинит Аl₂Si₂O₅(OH)₄, важный представитель глинистых минералов.

 

⇐ Предыдущая10111213141516171819Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: