В 80-х годах прошлого столетия американский ученый Кларк задался целью определить средний химический состав земной коры. Для этого он собрал все химические анализы известных в его время горных пород и вывел из них среднее. Конечно, Кларк знал, что различные горные породы, рыхлые и мягкие, подобные песку или глине, и твердые, вроде гранита или базальта, распространены на поверхности Земли весьма неравномерно: некоторые горные породы слагают большие участки земной поверхности, другие же встречаются редко и только в виде маленьких пятен. Например, больше половины площади Канады, почти вся Швеция и вся Финляндия покрыты сплошными выходами на земную поверхность гранитов. Огромные площади слагают граниты и сходные с ними горные породы в Африке, Южной Америке, Индии, Австралии и в других местах. В то же время существуют такие горные породы (например, щелочные, содержащие повышенные количества калия или натрия), которые можно найти на поверхности Земли лишь в виде отдельных мелких пятен, общая площадь которых для всех материков не превысит нескольких сотен тысяч квадратных километров.
Но Кларк, делая свои подсчеты, исходил из предположения, что чем чаще та или иная горная порода встречается на земной поверхности, тем больше образцов ее подвергалось химическому анализу и что поэтому относительное число химических анализов для каждой горной породы достаточно хорошо отражает относительную распространенность пород на поверхности.
Впоследствии многие ученые указывали на то, что это смелое предположение Кларка не может считаться правильным: некоторые наиболее редкие горные породы подвергались химическим исследованиям непропорционально часто именно потому, что из-за своей редкости и необычности они больше привлекали внимание геологов. Как показали более поздние исследования, данные, полученные Кларком, как средние из 6000 анализов, для наиболее распространенных химических элементов оказались все же близкими к истине. Величины же, которые он получил для менее распространенных элементов, в дальнейшем были значительно изменены. Чтобы отметить заслугу Кларка, впервые познакомившего нас, хотя бы приблизительно, с общим химическим составом земной поверхности, ученые условились называть процентное содержание элемента в земной коре «кларком» этого элемента. Таблица Кларка была опубликована в 1889 г.
Финский геолог Седерхольм сделал попытку вычислить средний химический состав земной коры, учитывая относительный размер площади, занимаемой каждой горной породой. Он не мог этого сделать для всего земного шара и ограничил свои подсчеты лишь территорией Финляндии. Расхождение с данными Кларка получилось довольно большим. Так, например, среднее содержание кремнезема (SiO2) в горных породах Финляндии у Седерхольма получилось равным 67,70%, тогда как у Кларка среднее содержание кремнезема в породах всего мира было равно 60,58%. Напротив, содержание глинозема (Al2O3), полуторной окиси железа (Fe2O3), окисей кальция (CaO), магния (MgO), натрия (Na2O) оказалось значительно меньшим, чем это предполагал Кларк.
С тех пор многие крупные ученые занимались уточнением данных о химическом составе земной коры: за границей — Вашингтон, Фохт, И. и В. Ноддаки, Гольдшмидт, Гевеши и др., в нашей стране — В. И. Вернадский, А. Е. Ферсман, В. Г. Хлопин, А. П. Виноградов и др. Особенно точные таблицы кларков всех элементов были составлены советским академиком А. Е. Ферсманом.
В таблице приведено содержание (в весовых процентах) элементов, наиболее распространенных в земной коре. Их здесь всего 12; остальные 80 элементов образуют ничтожную долю веса земной коры.
Средний состав земной коры (по А. Е. Ферсману)
|
Весовые проценты |
||
|
O — 49,13 |
Ca — 3,25 |
H — 1,00 |
|
Si — 26,00 |
Na — 2,40 |
Ti — 0,61 |
|
Al — 7,45 |
К — 2,35 |
C — 0,35 |
|
Fe — 4,20 |
Mg — 2,35 |
Cl — 0,20 |
Действительно, если бы мы привели кларки всех элементов, то первое, что бросилось бы нам в глаза, это неравномерность их распространения. Количество кисло рода, наиболее распространенного элемента, достигает 49,13% (по весу), а протактиния всего 7∙10-11 %. Самые распространенные элементы имеют кларки в миллиарды раз более высокие, чем наиболее редкие элементы. Эта неравномерность распространения химических элементов может быть иллюстрирована и по-другому. Если мы расположим элементы в порядке убывания их кларков, то увидим, что первые три элемента (кислород, кремний и алюминий) составляют по весу 82,58%, первые девять элементов составляют уже 98,13%, а первые двенадцать — 99,29%. То же самое можно выразить и графически.
Итак, мы видим, что земная кора по весу почти наполовину состоит из кислорода, приблизительно на четверть — из кремния, на тринадцатую часть — из алюминия, на двадцать четвертую часть — из железа и т. д. Принимая во внимание большие размеры атомов кислорода, можно сказать, что земная кора как из кирпичей построена из атомов кислорода и только в промежутках между ними, как бы цементируя их, расположены другие элементы.
По среднему содержанию элементов нетрудно рассчитать их абсолютные массы, содержащиеся в том или ином объеме, отвечающем по своему составу среднему составу земной коры. Так, можно определить, что в 1 км3 горных пород будет в среднем содержаться: железа 130 ∙ 106 т, алюминия 230 ∙ 106 т, меди 260 000 т, олова 100 000 т и т. д.
Элементы, слагающие земную кору, находятся в разнообразных соединениях между собой. Эти соединения, образовавшиеся в результате природных процессов, называются минералами. Всего известно несколько тысяч минералов, но наибольшим распространением пользуются лишь несколько десятков их. Здесь мы опять видим такую же диспропорцию в распространении различных минералов, как и в распространении отдельных элементов.
Преобладание в земной коре кислорода, кремния и алюминия определяет то, что большая часть минералов относится к разряду силикатов и алюмосиликатов, т. е. является солями кремневых и алюмо — кремневых кислот. Кроме того, среди минералов распространены сульфиды, сульфаты и окислы.
Примером алюмокремневой кислоты (не существующей в свободном виде), служит соединение H2Al2Si2O8, или (если написать в форме комбинации окислов) H2O ∙ Al2O3 ∙ 2SiO2. Среди кремневых кислот выделяют: ортокремневую кислоту H4SiO4, или 2H2O ∙ SiO2, и метакремневую кислоту H2SiO3, или H2O ∙ SiO2.
При замещении водорода алюмокремневой кислоты калием, натрием или кальцием получаются минералы, называемые полевыми шпатами. Примером полевого шпата является минерал ортоклаз, имеющий состав К2О ∙ Al2O3 ∙ 6SiO2.
Водные алюмосиликаты образуют различные слюды, как светлые (содержащие калий или натрий), так и темные (с магнием и железом). Например, светлая слюда или мусковит имеет состав: К2О ∙ 3Al2O3 ∙ 6SiO2 ∙ 2H2O.
При замещении водорода кремневых кислот магнием железом и кальцием получаются темноцветные минералы — оливины, пироксены и амфиболы.
Статистика показывает, что наиболее распространены среди минералов в земной коре полевые шпаты (55,0%). Мета — и орто-силикаты образуют 15%, а кварц (SiO2) — 12%. Среди других минералов относительно распространены слюды (3%) и магнетит (Fe3O4) совместно с гематитом (Fe2O3) (3%). Остальных минералов в составе земной коры значительно меньше. Большинство минералов имеет кристаллическое сложение.
Минералы в земной коре распределены не беспорядочно. Они группируются в некоторые естественные ассоциации, образующие так называемые горные породы. Породой является, например, гранит, характеризующийся определенной ассоциацией минералов, среди которых преобладают полевые шпаты, кварц, и слюды. Встречаются породы, состоящие почти или полностью из одного минерала. Таков, например, кварцит, состоящий почти целиком из кварца, или мрамор, сложенный почти исключительно одним кальцитом. Чаще, однако, в породе участвует несколько минералов, более или менее равномерно распространенных в ней в определенном количественном взаимоотношении.
Породы, слагающие земную кору, разделяются на группы в зависимости от их происхождения. В большей своей части земная кора сложена горными породами магматического происхождения, образовавшимися в результате внедрения в земную кору с глубины или излияния на поверхность и застывания расплавленных каменных масс. В эту группу входят многие горные породы: гранит, базальт, андезит, диорит и др.
На несколько процентов земная кора сложена осадочными горными породами, образовавшимися в результате осаждения и накопления минерального материала на поверхности Земли, преимущественно на дне морских бассейнов, но также на дне озер, речных потоков, в болотах и просто на поверхности суши.
Наконец, в земной коре распространены метаморфические горные породы, представляющие собой результат химического и физического изменения осадочных пород под влиянием высокой температуры и большого давления. Такие изменения осадочные горные породы претерпевают там, где они опустились на большую глубину при прогибании земной коры и, будучи погребены под тяжелыми толщами более поздних пород, оказались в зоне высоких температур и под большим давлением. Кроме того, метаморфические породы образуются в тех местах, где расплавленная магма внедряется в осадочные породы и воздействует на них своей температурой, а также химически.
Принадлежность горной породы к той или иной генетической группе кладет отпечаток на ее минералогический состав и внутреннее сложение.
Горные породы магматического происхождения в свою очередь делятся на породы внедрившиеся, или интрузивные, и породы, излившиеся, или эффузивные. Внедрившиеся горные породы представляют собой результат застывания расплавленного минерального вещества на той или иной глубине под поверхностью Земли. Мы можем их видеть только после того, как размывом будут уничтожены вышележащие горные породы и массив внедрившейся породы (так называемая интрузия) обнажится на поверхности. Внедрившиеся горные породы характеризуются, как правило, плотным крупнокристаллическим сложением, причем размеры кристаллов разных минералов обычно близки по своему размеру: от 0,2 до 1 см. Типичной горной породой этой группы является гранит — вообще наиболее распространенная порода среди внедрившихся.
Излившиеся горные породы, среди которых наиболее распространен базальт, характеризуются либо стекловатым, аморфным сложением, либо тонкокристаллическим, образовавшимся в результате раскристаллизации с течением времени вулканического стекла. Быстрое застывание после излияния на поверхность мешает образованию в излившихся породах крупных кристаллов.
По своему составу магматические горные породы, внедрившиеся и излившиеся, делятся на кислые, средние, основные и ультраосновные в зависимости от содержания в них кремнезема.
В кислых породах кремнезема более 65%, в средних — от 52 до 65 %, в основных — от 40 до 52 %, а в ультраосновных — меньше 40%. Интересно, что среди внедрившихся горных пород резко преобладает кислая порода — гранит, тогда как среди излившихся господствует основная порода базальт. Средние породы распространены относительно мало. Обычно выделяют также щелочные породы, обогащенные калием и натрием.
Осадочные горные породы разделяются обычно на три генетические группы: обломочные, органогенные и химические. Первые из них представляют собой продукты механического разрушения других пород, перемещения и переотложения их обломков. Иногда (например, в брекчиях и галечниках) мы имеем дело с накоплением крупных обломков, оставшихся угловатыми или подвергшихся окатыванию. В других случаях обломочная горная порода сложена мелкими обломками минералов, как в песчанике. Наконец, часто обломки минералов оказываются истертыми в крайне тонкую массу, образующую после своего переотложения водой глину. Минералогический состав обломочных пород зависит от состава исходной горной породы, а также от прочности отдельных минералов, от их сопротивляемости перетиранию и растворению во время переноса. Поскольку наиболее прочным минералом, из числа широко распространенных, является кварц, значительная часть обломочных пород состоит из крупных или мелких обломков кварца.
Органогенные осадочные породы образованы накоплением остатков организмов. Главную роль при этом играют скелеты организмов. У морских организмов они бывают преимущественно известковыми; это — раковины, членики, оболочки, иглы и т. л. Из накопления известковых скелетов организмов образуются известняки. Остатки некоторых организмов имеют иной состав: кремнистый, фосфатный, железистый и др. В соответствии с этим органогенные породы имеют различный состав, наряду с известняками встречаются кремнистые диатомиты и опоки, фосфориты и др.
К органогенным осадочным породам относятся также угли, горючие сланцы и нефть, представляющие собой продукты преобразования в земле остатков растительного и животного мягкого вещества.
Породы химические в своем образовании связаны преимущественно с химическим осаждением солей из водных растворов. Из насыщенных растворов, встречающихся в некоторых озерах и морских лагунах, выпадают поваренная соль, гипс, кальцит, сульфатные и хлорные соли магния, кальция, калия, а также различные соли сложного состава.
Метаморфические горные породы образуются при соприкосновении в земной коре осадочных горных пород с расплавленной магмой. Они возникают также в глубоких зонах земной коры, где повсеместно господствует высокая температура. Явлению метаморфизма способствует одновременное смятие горной породы или ее растрескивание под влиянием давления, действующего в земной коре. У метаморфических пород в зависимости от степени метаморфизма обнаруживается состав, промежуточный между осадочными и магматическими породами. При сильном нагревании осадочной породы и при воздействии на нее давления происходит прежде всего перекристаллизация породы. Аморфные составные части переходят в. кристаллическое состояние, мелкие кристаллы объединяются и укрупняются. Типичным примером является превращение известняка в мрамор — плотную крупнокристаллическую кальцитовую породу.
При перекристаллизации происходит перегруппировка некоторых ионов и образование новых соединений, ранее в осадочной породе отсутствовавших. Так, например, при метаморфизации известняка, содержащего примесь кварца (обычно в виде песчинок или в виде кремневых включений), нередко образуется минерал волластонит — силикат кальция (CaSiO3).
Из магмы, действующей на осадочную породу, выделяются газы и жидкости, которые, проникая в окружающие породы, могут вызвать в них различные химические изменения. В этих условиях осадочная порода может, например, подвергнуться окварцеванию, т. е. пропитаться кварцем, когда газы или растворы приносят кремнезем.
Давление, развивающееся в земной коре под влиянием тектонических сил (см. ниже), сминает горные породы. В результате породы часто приобретают сланцеватое строение — разделяются на тонкие параллельные пластинки или плитки. Этот процесс обычно сопровождается образованием новых плоских минералов (слюды, хлорита и др.). Так образуются различные метаморфические сланцы.
Следует сказать несколько слов о рудных минералах. Так называются минералы, в которых содержание тех или иных металлов достаточно для практически выгодного их выделения. Железная руда — это минералы с достаточно высоким содержанием железа, молибденовая руда — минералы с достаточно высоким содержанием молибдена и т. д. Процентное содержание металла, требуемое, чтобы данный минерал считался рудой, чрезвычайно различно для разных металлов, а также для разных условий залегания их в земной коре. В некоторых случаях добыча производится там, где содержание нужного металла в руде измеряется небольшими долями процента, в других случаях нужны десятки процентов содержания металла, чтобы руда привлекла внимание геологов. Меняются требования к качеству руды и по мере того, как совершенствуется техника ее добычи и обогащения.
По своему химическому составу рудные минералы бывают весьма различны: многие из них принадлежат к группе сульфатов (например, реальгар HgS — руда ртути), другие являются окислами (например, гематит Fe2O3 — руда железа), силикатами, карбонатами или имеют сложный состав.
Помимо химического состава рудных минералов, крайне важна концентрация большого числа их внутри того или иного объема горных пород. Если единичные рудные минералы рассеяны в большом объеме горной породы далеко друг от друга, то добыча таких минералов крайне невыгодна или просто невозможна. Другое дело, если они расположены тесно, густой массой, и их сравнительно нетрудно добыть в большом количестве, сооружая шахты и штольни. Скопления рудных минералов, которые выгодно разрабатывать, называются рудными месторождениями.
Скопления рудных минералов (рудные месторождения) образуются в земной коре разными способами. Многие из них возникают при подъеме с глубины магматических горных пород и сопровождающих их горячих водных растворов, другие сосредоточены в осадочных горных породах, третьи встречаются в породах метаморфических. В дальнейшем, при рассмотрении процессов, развивающихся в земной коре, мы кратко расскажем и об условиях образования рудных и других полезных ископаемых.
Источник: В.В. Белоусов. Земля, ее строение и развитие. Издательство Академии наук СССР. Москва. 1963