Особенности химического и минерального состава земной коры. Кларки химических элементов и породообразующие минералы.

Особенности химического и минерального состава земной коры. Кларки химических элементов и породообразующие минералы.

Химический состав земной коры был определен по результатам анализа многочисленных образцов горных пород и минералов, выходящих на поверхность земли при горообразовательных процессах, а также взятых из горных выработок и глубоких буровых скважин. В настоящее время земная кора изучена на глубину до 15—20 км. Она состоит из химических элементов, которые входят в состав горных пород. Наибольшее распространение в земной коре имеют 46 элементов, из них 8 (кислород, водород, кремний, сера, кальций, железо, алюминий, углерод, фосфор, натрий, магний, марганец, свинец, мышьяк) составляют 97,2—98,8 % ее массы, 2 (кислород и кремний) —75 % массы Земли. Первые 13 элементов (за исключением титана), наиболее часто встречающиеся в земной коре, входят в состав органического вещества растений, участвуют во всех жизненно необходимых процессах и играют важную роль в плодородии почв. Большое количество элементов, участвующих в химических реакциях в недрах Земли, приводит к образованию самых разнообразных соединений. Химические элементы, которых больше всего в литосфере, входят в состав многих минералов (из них в основном состоят разные породы). Отдельные химические элементы распределяются в геосферах следующим образом: кислород и водород заполняют гидросферу; кислород, водород и углерод составляют основу биосферы; кислород, водород, кремний и алюминий являются основными компонентами глин и песчаных пород или продуктов выветривания (они в основном составляют верхнюю часть коры Земли).

Земная кора состоит в основном из веществ, называемых минералами (химическими элементами в различных соединениях) от редких и чрезвычайно ценных алмазов до различных руд, из которых получают металлы для наших повседневных нужд. Общее число минералов не так уж велико — порядка 2000, из них широко распространены 400—500 видов. Часто встречающиеся минералы, такие как полевые шпаты, кварц и слюда, называются породообразующими. Это отличает их от минералов, которые находят только в небольших количествах. Кальцит - еще один породообразующий минерал. Он формирует известняковые породы.

Классификация минералов

Кларки химических элементов земной коры. Среднее значение относительного содержания химического элемента в земной коре и в других глобальных и космических системах называется кларком. Название было предложено советским геохимиком А.Е. Ферсманом (1883 – 1945) в честь американского химика Ф.У. Кларка (1847 – 1931), внесшего большой вклад в фундамент геохимии. Значения кларков земной коры были установлены благодаря кропотливым исследованиям многих ученых из разных стран. Кларки химических элементов земной коры различаются более чем на десять математических порядков. Такие количественные различия сказываются на качественной роли элементов в земной коре, и в результате элементы земной коры можно разбить на две группы, а именно: элементы первой группы, имеющие большие кларки, образуют самостоятельные химические соединения, а элементы второй группы (с малыми кларками) большей частью рассеяны среди химических соединений других элементов. За условную границу между этими группами принимают среднее содержание химического элемента, равное 0,1 %. Таким образом, к первой группе следует отнести следующие десять элементов (их называют главными): O – 48,1 %, Si – 39,9 %, Al – 8,0 %, Fe – 3,6 %, K – 2,7 %, Ca – 2,5 %, Na – 2,2 %, Mg – 1,2 %, Ti – 0,33 %, Н – 0,1 %. Все остальные элементы в земной коре относят ко второй группе и называют их рассеяными. В геохимии можно встретить такие термины, как «редкоземельные элементы», «элементы-следы», «частота встречаемости». Их происхождение связано с тем, что химический состав горных пород в XIX веке и начале XX изучался с помощью методов весового и объемного анализа. Чувствительность этих методов не позволяла определить низкие концентрации химических элементов, в результате складывалось мнение об отсутствии некоторых элементов в исследуемых образцах. Поэтому-то и возникли эти термины. Но когда в XX веке широко распространились более чувствительные методы – спектроскопический анализ, электронная микроскопия, электронное зондирование, то оказалось, что в действительности «редкие элементы» вовсе уж и не такие редкие, как считалось раньше.

Особенности изучения древних тектонических движений: анализ стратиграфического разреза, фациально-палеогеографический анализ мощностей, анализ перерывов и несогласий, палеомагнитный метод, формационный анализ.

Тектонические движения являются одним из важнейших факторов в развитии геологических процессов, изменяющих лик Земли. Они приводят к преобразованию земной коры, изменяют формы рельефа ее поверхности, очертания суши и моря, воздействуя тем самым и на климат. Тектонические процессы влияют на вулканизм, на процессы осадконакопления и определяют размещение полезных ископаемых в земной коре. Тектонические движения выражаются в виде медленных поднятий и опусканий, приводящих к трансгрессиям и регрессиям моря, в виде общего коробления земной коры с образованием высоких горных массивов и глубоких впадин, смятием слоев горных пород в складки, а также в форме разрушительных землетрясений, которые сопровождаются возникновением трещин со значительным смещением блоков коры по вертикали и горизонтали. В зависимости от направления тектонические движения подразделяют на горизонтальные (тангенциальные) и вертикальные (радиальные). Для реконструкции тектонических движений важно противопоставить движения медленные, плавные, охватывающие территории континентов и океанских впадин или отдельных их частей, и движения интенсивные, эпизодические, связанные с определенными зонами земной коры, проявляющиеся по-разному и приводящие к существенным деформациям земной коры. Указанным типам движений примерно отвечают давно используемые термины: эпейрогенические и орогенические движения. Для восстановления тектонических движений прошедших эпох используют специальные методы, позволяющие воссоздать общую картину тектонических движений для определенной эпохи.Методами изучения этих движений являются: анализ стратиграфического разреза, фациалъно-палеогеографический анализ мощностей, анализ перерывов и несогласий, структурный анализ, палеомагнитный, формационный анализы. Они позволяют восстановить вертикальные движения. Для реконструкции горизонтальных движений важнейшими являются структурный, палеомагнитный и фациально-палеографический анализы.

Анализ стратиграфического разреза позволяет проследить тектонические движения небольшого участка земной коры в течение длительного времени. Исходным материалом для анализа движений является стратиграфический разрез (колонка), который необходимо исследовать с позиций изменения обстановки накопления пород в их стратиграфической последовательности. Изучая вещественный, состав, структурные и текстурные особенности пород, заключенные в них окаменелости, удается выделить типы отложений, которые накапливались на различных гипсометрических уровнях относительно уреза воды морского бассейна и, соответственно, охарактеризовать обстановку: гористой суши с высотами до первых километров, холмистой суши с высотами от 50 до 200м, заболоченной прибрежной равнины с высотами от О да + 50м, пляжа - около Ом, мелководного шельфа (сублиторали) глубиной да 200м, глубоководного шельфа (эпибатиали) глубиной до 500м, континентального склона (батиали) глубиной более 500м. Результаты изучения разреза изображают в виде графика - палеогеографической кривой. По оси абсцисс откладывают время в условных единицах (или в млн. лет), по оси ординат: выше нулевой линии - обстановки суши, ниже - батиметрические зоны моря, характерные для определенных моментов геологического времени. Отрицательные тектонические движения в условиях стабильного выноса обломочного материала в бассейн приводят к углублению его дна и смене вверх по разрезу мелководных отложений более глубоководными. Наоборот, положительные тектонические движения приводят к обмелению бассейна и смене по разрезу глубоководных отложений мелководными, наземными и далее - размывом ранее накопившихся отложений. Отрицательные тектонические движения способствуют развитию морских трансгрессий, а положительные вызывают регрессии. Необходимо всегда учитывать, что изменение глубины бассейна может быть обусловлено не только изменением темпа тектонических движений, но и изменениями климатической обстановки. Например, при резкой аридизации климата уменьшается вынос обломочного материала с суши и происходит относительное углубление дна бассейна. Наоборот, интенсивный вынос обломочного материала может привести к резкому обмелению и даже осушению водоема. В связи с этим важным элементом анализа стратиграфического разреза является составление графика вертикальных тектонических движений (эпейрогенической кривой). На графике по оси абсцисс откладывается время (желательно, в млн. лет), по оси ординат - мощности стратиграфических подразделений.

Фациально-палеогеографический анализ. В основу этого метода положен принцип связи рельефа поверхности Земли и тектонических движений. Эта связь хорошо отражена в современном рельефе местности. Там, где активно проявляются тектонические движения положительного знака (Кавказ, Карпаты, Памир, Тянь-Шань и др.), образовались высокогорные области; площади, где преобладают движения отрицательного знака, заняты глубоководными морями и океанами. В областях ослабленных тектонических движений рельеф равнинный (Восточно-европейская и Североамериканская равнины). Здесь нередко находятся заболоченные низменности с чехлом континентальных четвертичных накоплений. Учитывая, что литолого-палеогеографические карты обычно составляют для непродолжительных отрезков геологического времени, общий характер тектонических движений более отчетливо выявляется при анализе нескольких литолого-палеогеографических карт, составленных для последовательных отрезков времени. Фациально-палеогеографический анализ широко используется и для доказательства горизонтальных движений. Нередко в складчатых областях по разрывным нарушениям соприкасаются одновозрастные толщи, которые по своим генетическим особенностям (литологический состав, комплексы ископаемых остатков) могли сформироваться в бассейне только на значительном горизонтальном удалении друг от друга (например, сублиторальные пески и абиссальные кремнисто-глинистые сланцы). В этом случае взаимоотношение этих толщ является вторичным в результате тектонического сближения разнофациальных зон. Если в соседних районах, не испытавших горизонтальных тектонических движений, можно установить первоначальное расстояние между фациальными зонами, это позволит оценить амплитуду горизонтальных перемещений. Фациально-палеогеографический анализ позволяет оценить амплитуды горизонтальных движений и при сдвиговых нарушениях.

Анализ мощностей. При его применении необходимо учитывать, что неровности рельефа, возникающие в результате неравномерного погружения отдельных участков площади осадконакопления, сглаживаются накапливающимися осадками. На участках ускоренного прогибания накапливаются осадки большей мощности, на участках замедленного прогибания - меньшей мощности, в областях воздымания - мощности равны нулю. Данные о мощностях одновозрастных отложений наносят на карты; точки равных мощностей соединяют линиями - изопахитами. По картам с изопахитами можно судить о распределении участков относительных прогибов и поднятий. Обычно карты фаций и мощностей сопровождаются специальными (фациальными) разрезами, на которые наносят данные о составе и мощностях отложений. При построении таких разрезов за нулевую линию принимают уровень моря для конца эпохи накопления толщи или кровлю одновозрастных отложений (т. е. поверхность морского дна на конец эпохи осадконакопления).

Анализ перерывов и несогласий. Положительные тектонические движения в стратиграфическом разрезе выражаются сменой относительно глубоководных отложений мелководными, мелководных - прибрежными и континентальными. В таком случае, если эти движения привели к подъему накопившихся осадков выше уровня моря, начинается их размыв. При последующем погружении новая серия осадков ложится на размытую поверхность, которая называется поверхностью перерыва, или поверхностью несогласия. Эти поверхности фиксируются выпадением из нормальной последовательности тех или иных стратиграфических подразделений, присутствующих там, где положительные движения не проявлялись. Если отложения выше и ниже поверхности, фиксирующей перерыв в осадконакоплении, залегают с одинаковыми углами наклона (стратиграфическое несогласие), можно говорить о медленных положительных движениях. Если они резко отличаются по углам наклона (угловое несогласие), следовательно, ранее накопившиеся осадки к моменту нового погружения испытали складкообразование, могли быть нарушены разрывами. Толщи пород, отделенные от подстилающих и накрывающих толщ поверхностями угловых несогласий, называются структурными этажами. Каждый структурный этаж отвечает естественному историко-тектоническому этапу развития территории, который начался трансгрессией и осадконакоплением во время отрицательных движений и завершился подъемом территории и складчатостью.

Структурный анализ имеет важное значение при изучении горизонтальных движений, так как позволяет качественно и количественно оценить величину горизонтальных движений во время деформации слоев. Если мысленно «распрямить» слой, изогнутый в складки, образовавшиеся при боковом смятии, протяженность такого выпрямленного слоя будет соответствовать первоначальной ширине прогиба до момента деформации слоя. Горизонтальные движения выявляются на основе анализа пологих надвиговых структур - шарьяжей, а также сдвиговых структур. Если удается точно установить горизонтальную амплитуду шарьяжа, можно с уверенностью говорить о сокращении первоначальной поверхности на величину этой амплитуды. Показателем горизонтальных тектонических движений могут служить зоны разломов в земной коре с находящимися в них блоками пород основного и ультраосновного состава вперемежку с глинисто-кремнистыми и кремнисто-карбонатными сланцами (офиолитовые зоны). Такие зоны рассматриваются как рубцы на поверхности 3емли, возникшие на месте ранее существовавших океанов.

Палеомагнитный анализ. Способность горных пород намагничиваться во время своего образования в соответствии с направлением геомагнитного поля и сохранять эту намагниченность позволяет не только создать палеомагнитную геохронологическую шкалу, но и использовать данные палеомагнитного анализа для выявления горизонтальных тектонических движений. Определив среднее направление намагниченности пород определённого возраста, взятых из какого-либо пункта «А» на поверхности Земли, можно рассчитать положение магнитного полюса того времени в координатах. Исследуя породы в их стратиграфической последовательности по координатам, вычерчивается траектория относительного перемещения полюса за время, соответствующее изученному интервалу стратиграфического разреза. Проделав такое же исследование по образцам, взятым из другого пункта «B», вычерчивается траектория перемещения полюса относительно пункта «В» за тот же период времени. Если обе траектории совпадают по форме, следовательно, обе точки сохраняли постоянное положение относительно полюсов. Если совпадения в траекториях не наблюдается, есть все основания предполагать, что обе точки по-разному изменили свое положение относительно полюса.

Формационный анализ. Формационный анализ является методом исследования строения и истории развития земной коры на основе изучения пространственных взаимоотношений ассоциаций горных пород - геологических формаций. Геологическая формация представляет собой вещественную категорию, занимающую определенное положение в иерархии вещества земной коры: химический элемент - минерал - горная порода - геологическая формация - формационный комплекс - оболочка земной коры. В пространственном размещении горных пород, слагающих земную кору, существует определенная упорядоченность, выраженная в том, что горные породы развиты не изолированно, а образуют закономерные сочетания (ассоциации, сообщества), обусловленные единством условий их образования. Это единство условий образования выражено в единстве состава смежных пород и характере их чередования. Закономерные ассоциации горных пород, связанные единством вещественного состава и строения, обусловленным общностью их происхождения (или сонахождения) получили название геологических формаций. Различают осадочные (включая вулканогенно-осадочные), магматические (интрузивные и эффузивные) и метаморфические формации. При изучении формаций выделяют главные (обязательные) и второстепенные (необязательные) члены ассоциации. Главные члены ассоциации характеризуют определенный формационный тип – устойчивую ассоциацию, повторяющуюся в пространстве и во времени. По названию главных членов ассоциации дается название всей ассоциации. Набор второстепенных членов подвержен существенным изменениям. Каждая формация как геологическое тело характеризуется определенным типом внутреннего строения (характер чередования и мощности слоев, степень их выдержанности на площади и пр.). В зависимости от вещественного состава формации делятся на группы. Например, среди осадочных формаций можно выделить группы глинисто-сланцевых, известняковых, сульфатно-галогенных, кремнистых, мелкообломочных кварцевых, мелкообломочных полимиктовых формаций и др.; среди вулканогенных - группы базальто-диабазовых (трапповых), липарито-дацитовых, андезитовых формаций и др. Главными факторами, определяющими формирование устойчивых ассоциаций осадочных горных пород, являются тектоническая обстановка и климат, магматических и метаморфических пород - тектонический режим и термодинамическая обстановка. В зависимости от тектонической обстановки выделяются три класса формаций: платформенный, морской, орогенный. Большинство осадочных формаций могут служить надежными индикаторами тектонического режима. Например, формации мергельно-меловые, каолиновых глин, кварцевых песчаников, глинисто-опоковая свидетельствуют о платформенном режиме осадконакопления, а группа флишевых формаций, кремнисто-карбонатные, кремнисто-сланцевые, яшмовые формации являются индикаторами морского режима. Широкое развитие грубообломочных формаций свидетельствует об орогенном режиме. Площади распространения определенных формаций контролируются тектоническими структурами, развитием которых обусловлено их пространственное обособление. Поэтому, изучая закономерности распространения формаций в пространстве, мы, тем самым, устанавливаем размещение типов тектонических структур во время образования формаций. Важное значение имеет формационный анализ для прогноза и поисков полезных ископаемых, так как каждому типу формаций свойственен свой набор ископаемых. Так, например, месторождения талька, асбеста, платины связаны с формациями, в которых основное место занимают ультраосновные породы.