- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •ВВЕДЕНИЕ
- •Глава 1.0. Земля в космическом пространстве
- •1.2. Солнечная система
- •1.2.4. Внешние планеты
- •1.2.6. Происхождение Солнечной системы
- •2.2. Внутреннее строение Земли
- •2.6.1. Минералы
- •2.6.2. Горные породы
- •3.2. Изотопные методы определения возраста минералов и горных пород
- •5.2. Процессы гипергенеза и коры выветривания
- •5.3. Образование почв и их свойства
- •Глава 6.0. Геологическая деятельность поверхностных текучих вод
- •6.4. Развитие речных долин и формирование речных террас
- •Глава 7.0. Геологическая деятельность подземных вод
- •7.1. Виды воды в горных породах
- •Глава 8.0. Карстовые процессы
- •Глава 9.0. Гравитационные процессы
- •10.2. Геологическая деятельность болот
- •Глава 11.0. Геологическая деятельность ветра
- •11.3. Типы пустынь
- •12.1. Классификация ледников
- •12.4. Водно-ледниковые отложения
- •Глава 13.0. Геологические процессы в криолитозоне
- •Глава 15.0. Магматизм
- •15.2. Интрузивный магматизм
- •15.5. Вулканические постройки
- •15.8. Геологическая позиция действующих вулканов и понятие о магматических очагах
- •17.2. Понятие о деформациях горных пород
- •17.4. Разрывные нарушения
- •Глава 18.0. Землетрясения
- •18.5. Цунами
- •Глава 19.0. Главные структуры литосферы
- •Глава 20.0. Человек и геологическая среда
коры. Глубоководные котловины характеризуются однородным ТП в 35-56 мВт/м2 , но даже на этом фоне океанское дно с относительно более древним возрастом коры имеет и несколько пониженный ТП. Иными словами, закономерность такая же, как и на континентах.
Однако, срединно-океанские хребты с рифтовыми долинами и островами типа Исландии, имеют аномально высокие значения ТП - 400-600 мВт/м2 , достигающие местами "ураганных" значений до 1500 мВт/м2 , ка, например, в Калифорнийском или Красноморском рифтах. Центральная часть Исландии, обладает ТП от 140 мВт/м2 до 430 мВт/м2 .Именно в таких зонах и осуществляется энергичный вынос тепла путем разгрузки гидротерм и извержения вулканов, причины возникновения которых заключаются в образовании магматических очагов в верхней мантии на глубинах до 150 км.
Аномально высокий ТП связан в океанах и с участками т.н. мантийных плюмов или горячих точек, примером которых могут быть Гавайские острова с активными вулканами. И горячие точки, и срединные океанические хребты с рифтами - это места современной высокой тепловой активности. Именно здесь происходят наиболее значительные теплопотери.
2.6. Вещественный состав земной коры.
2.6.1. Минералы
Все вещество земной коры и мантии Земли состоит из минералов, которые разнообразны по форме, строению, составу, распространенности и свойствам. Все горные породы состоят из минералов или продуктов их разрушения.
Самое древнее описание минералов относится к 500 г.до н.э., когда в китайском манускрипте Сан Хейдина «Древние сказания о горах и людях», присутствует рассказ о 17 минералах. Само слово минерал происходит от латинского минера, что означает кусок руды.
Минералами называются твердые продукты, образовавшиеся в результате природных физико-химических реакций, происходящих в литосфере, обладающих определенными химическим составом, кристаллической структурой, имеющих поверхности раздела.
Каждый минерал имеет поверхность раздела с соседними минералами в виде граней кристаллов или межзерновых границ произвольной формы. Совокупность минералов, обладающих одинаковой структурой и близким химическим составом, образует минеральный вид. Например, кристаллы и зерна, имеющие состав SiO2 и
одинаковую структуру, могут иметь разный цвет, размер, форму выделения и т.д., но в целом они относятся к одному и тому же минеральному виду – кварц. Минералы одинакового состава, но с разной структурой относятся к разным минеральным видам, например, графит и алмаз, имеющие один состав – углерод, но совершенно различные свойства алмаза и графита.
В настоящее время выделено более 3000 минеральных видов и почти столько же их разновидностей. Распространенность минералов в земной коре определяется распространенностью химических элементов (табл.4).
Таблица 4.
Наиболее распространенные (98%) химические элементы в земной коре.
Элемент |
Символ |
Ионы |
% |
|
|
|
|
Кислород |
O |
O2- |
46,50 |
Кремний |
Si |
Si4+ |
25,70 |
Алюминий |
Al |
Al3+ |
7,65 |
Железо |
Fe |
Fe2+, Fe3+ |
6,24 |
Кальций |
Ca |
Ca2+ |
5,79 |
Магний |
Mg |
Mg2+ |
3,23 |
Натрий |
Na |
Na1+ |
1,81 |
Калий |
K |
K1+ |
1,34 |
По данным А.Б.Ронова и А.А.Ярошевского (1976) наиболее распространены в земной коре 8 химических элементов в весовых процентах составляющих в сумме 98% (табл. 2).
На долю Ti, C, H, Mn, S и других элементов приходится менее 2%. К числу редких элементов относятся Cu, Pb, B, Ag, As, однако будучи мало распространенными они способны образовать крупные месторождения. Некоторые элементы, например, Rb не образуют собственных минералов, а существуют в природе только в виде примесей. (табл. 5)
Минерал в виде кристалла – это твердые вещества, в котором атомы или молекулы расположены в строго заданном геометрическом порядке. Элементарной ячейкой называется самая маленькая часть кристалла, которая повторяется многократно в 3-х мерном пространстве. Формы природных кристаллов-минералов чрезвычайно разнообразны. Варианты размещения атомов и молекул в кристаллах были впервые
описаны более 100 лет назад в России Е.С.Федоровым и в Германии А.Шенфлисом, создавших теорию 230 пространственных групп симметрии. Все известные группы кристаллографической симметрии подразделяются на семь систем или сингоний ( в порядке понижения симметрии): 1) кубическая (элементарная ячейка – куб); 2) гексагональная (шестигранная призма); 3) тригональная (ромбоэдр); 4) тетрагональная (тетрагональная призма); 5) ромбическая (прямоугольный параллелепипед); 6) моноклинная (параллелепипед с одним углом между гранями, отличающимися от прямого); 7) триклинная (косоугольный параллелепипед).
Таблица 5 Некоторые наиболее распространенные химические элементы, ионы и группы в минералах
Элементы |
Символ |
Анион |
Катион |
Группа |
Символ |
|
|
|
|
|
|
Алюминий |
Al |
|
Al3+ |
|
|
Кальций |
Ca |
|
Ca2+ |
|
|
Углерод |
C |
|
C4+ |
Карбонат |
(CO3)2- |
Хлор |
Cl |
Cl- |
|
|
|
Медь |
Cu |
|
Cu2+ |
|
|
Фтор |
F |
F- |
|
|
|
Водород |
H |
|
H+ |
Гидроксил |
(OH)- |
Железо |
Fe |
|
Fe2+, Fe3+ |
|
|
Свинец |
Pb |
|
Pb2+ |
|
|
Магний |
Mg |
|
Mg2+ |
|
|
Кислород |
O |
O2- |
|
|
|
Фосфор |
P |
P3- |
|
Фосфаты |
(PO4)3- |
Калий |
K |
|
K+ |
|
|
Кремний |
Si |
|
Si4+ |
Силикаты |
(SiO4)4- |
Натрий |
Na |
|
Na+ |
|
|
Сера |
S |
S2- |
|
сульфаты |
(SO4)2- |
Цинк |
Zn |
|
Zn2+ |
|
|
Все минералы обладают кристаллической структурой – упорядоченным расположением атомов, что называется кристаллической решеткой (рис. 2.6.1). Атомы
или ионы удерживаются в узлах кристаллической решетки силами различных типов химических связей: 1) ионной; 2) ковалентной; 3) металлической; 4) ван-дер-ваальсовой (остаточной); 5) водородной. Бывает, что минерал обладает несколькими типами связи. Тогда образуются компактные группы атомов, между которыми осуществляется более сильная связь. Например, группы [ SiO4]-4 в структуре силикатов, [СО3]-2 в карбонатах. Одно и то же сочетание химических элементов может кристаллизоваться в различные структуры и образовывать разные минералы. Это явление называется полиморфизмом (полиморфаз – греч., многообразный). Например, модификации С (алмаз, графит); калиевого полевого шпата (ортоклаз, микроклин); а также FeS2 (пирит, марказит); СаСО3 (кальцит, арагонит); кварца и др. Кристаллы минералов бывают анизотропными (неравносвойственными), т.е. со свойствами одинаковыми с параллельных направлениях и различных непараллельных.
Изотропными (равносвойственными) называются вещества, например, аморфные, в которых все физические свойства одинаковы по всем направлениям.
Рис. 2.6.1. Кристаллические решетки алмаза (слева) и графита (справа) (А). Форма решеток определяет свойства минералов (Б). Ионы хлора и натрия в кристалле каменной соли
Одним из факторов, определяющих разнообразный состав минералов является изоморфизм, способность одних элементов замещать другие в структуре минералов без изменения самой структуры. Замещение может быть изовалентным, если элементы
одинаковой валентности замещают друг друга – Mg+2 ↔ Fe+2; Mn+2 ↔ Fe+2 или гетеровалентным, когда замещающие ионы имеют различную валентность.
Важную роль в составе минералов играет вода и гидроксильные группы, в зависимости от положения которых в кристаллической структуре различают воду: 1)
конституционную; 2) кристаллизационную и 3) адсорбционную. 1-ая связана со структурой минералов теснее всего и входит в состав многих силикатов, окислов и кислородных солей в виде ОН-. 2-ая - занимает крупные полости в структуре алюмосиликатов и при нагревании постепенно отделяется. 3- ий тип воды отделяется от минералов при нагревании до 110°С и является самой распространенной разновидностью.
Минералы чаще всего образуют срастания или агрегаты, в каждом из которых отдельные минералы характеризуются внешним обликом – размером и формой выделения. Если минерал хорошо огранен он называется идиоморфным, а если обладает направленными очертаниями – ксеноморфным.
По своему происхождению минералы подразделяются на эндогенные (эндо – греч., внутри), связанные с земной корой и мантией и экзогенными (экзо – греч., снаружи), образующиеся на поверхности земной коры.
Современная систематика минералов.
Хотя минералов известно более 3000, не более чем 50 из них называются главными породообразующими, имеющими наибольшее распространение в земной коре. Остальные минералы присутствуют лишь в виде примесей и называются акцессорными (акцесориус – лат., дополнительный). Среди минералов на основе структурных и химических признаков выделяется несколько основных классов ( по А.А.Ульянову, 2000).
1. Самородное элементы и интерметаллические соединения. В настоящее время известно около 30 элементов с самородном состоянии, подразделяющиеся на металлы (золото, платина, серебро, медь); полуметаллы (мышьяк, сурьма); неметаллы (сера, графит, алмаз).
2.Сульфиды и их аналоги. Шире всего развиты сернистые соединения – сульфиды, образующиеся из гидротермальных растворов: пирит FeS2; халькопирит CuFeS2; галенит
PbS; сфалерит ZnS. |
|
3. Галогениды |
представлены более, чем 100 минералами – солями |
галогеноводородных кислот: HF, HCl, HВr, HI. Шире всего распространены хлориды Na, K и Mg: галит NaCl; сильвин KCl; карналит MgCl2 KCl 6H2O; фториды Ca, Na и Al,
например, флюорит CaF2.
4. Оксиды и гидрооксиды широко распространены и насчитывают около 200 минералов оксидов и гидрооксидов металлов и реже – полуметаллов, составляющих по
массе 5% литосферы. Особенно развит свободный кремнезем SiO2 – кварц и его многочисленные разновидности, опал SiO2 nН2О и другие, всегда тесно связанные с силикатами. В глубоких частях земной коры образуются оксиды Fe, Ti, Ta, Nb, Nb, Al, Cr, Sn, U и другие.
В класс оксидов попадают важные рудные минералы: гематит Fe2O3, магнетит
Fe2+Fe23+O4, пиролюзит MnO2, касситерит SnO2, рутилTiO2, хромит FeCr2O4, ильменит
FeTiO3, уранинит UO2, а из гидрооксидов - брусит Mg (OH)2, гётит HFеO2,
гидрогётит HFeO2 n H2O, гиббсит Al(OH)3.
5. Карбонаты. Содержание минералов класса карбонатов составляет в земной коре
1,5% по массе. Важное значение в структуре карбонатов имеют анионные группы [СО3]- 2, изолированные друг от друга катионами. К карбонатам относятся: кальцит СаСО3, доломит CaMg(CO3)2, сидерит FeCO3, магнезит MgCO3. Карбонат меди представлен
малахитом Cu2(CO3)(OH)2; карбонат натрия - содой Na2[ CO3] 10H2O. Ионы – хромофоры (красители) окрашивают карбонаты Cu в зеленые и синие цвета, U – в желтые, Fe – в коричневые, а другие карбонаты бесцветные. Некоторые карбонаты имеют органогенное происхождение, другие связаны с гидротермальными растворами, третьи – с минеральными источниками.
6. Сульфаты, хроматы, молибдаты и вольфраматы.
Сульфаты – это соли серной кислоты (H2SO4), входящие в состав 300 минералов и составляющие 0,1% по весу в земной коре. Главную роль в структуре сульфатов играет крупный анион [SO4]2-. Среди сульфатов шире всего распространены гипс CaSO4 2H2O,
ангидрит CaSO4, барит BaSO4, мирабилит Na2SO4 10H2O, целестин SrSO4, алунит (K, Na) Аl3[SO4]2(OH)6.
Хроматы представляют собой соли ортохромовой кислоты (H2CrO4) и встречаются очень редко, например, в крокоите PbCrO4.
Молибдаты – это соли молибденовой кислоты (H2MoO4), образующиеся на поверхности, в зонах окисления рудных месторождений – вульфенит PbMoO4.
Вольфраматы – соли, соответственно, вольфрамовой кислоты (H2WO4) и к промышленно важным минералам относятся вольфрамит (F,Mn) WO4 и шеелит CaWO4.
7. Фосфаты, арсенаты и ванадаты. Все эти минералы принадлежат солям ортофосфорной (H3PO4), мышьяковой (H3AsO3) и ванадиевой (H3VO3) кислот. Хотя их распространенность в литосфере невелика – 0,7% по массе, всего этих минеральных видов насчитывается более 450. Наиболее характерным и устойчивым минералом фосфатов является апатит Ca5[PO4]3 (Fe,Cl,OH), а также монацит Ce[PO4]. К ванадатам
относятся урановые слюдки, например тюямунит Ca(UO2)2[VO4]2 8 H2O, а к арсенатам редкий минерал миметезит Pb5[AsO4]3Cl. В большинстве случаев все эти минералы образуются в близповерхностных условиях, вследствие разложения органических остатков (фосфаты), окисления мышьяковых соединений (арсенаты) и рассеянного в осадочных породах ванадия (ванадаты). Только апатит связан с магматическими и метаморфическими породами.
8. Силикаты Класс силикатов содержит наиболее распространенные породообразующие минералы, которые слагают 90% литосферы. Самым важным элементом класса силикатов является четырехвалентный кремний, находящийся в окружении 4-х атомов кислорода, расположенных в вершинах тетраэдра (тетра – греч.,
четыре, гедра – грань). Эти кремнекислородные тетраэдры (КТ) [SiO4]4- представляют собой те элементарные структуры, из которых построены все силикаты. КТ имеет 4 свободные валентные связи. Именно за их счет и происходит присоединение ионов Al, Fe, Mg, K, Ca, Na и других. КТ способны группироваться друг с другом, образуя сложные кремнекислородные кластеры (табл. 6) (рис.2.6.2).
Рис. 2.6.2. Строение кремнекислородного тетраэдра: а – единичный; б – соединенные в цепочку
Островные силикаты содержат в себе изолированные КТ [SiO4]4- с присоединенными к ним различными ионами Типичными силикатами являются оливины (Mg,Fe)2 [SiO4],
гранаты (Mg, Fe, Cа, Mn)3(Аl, Fe, Cr)2 [SiO4]3.
Таблица 6
Силикатные минералы
Структура |
Группировка |
Минерал |
Примеры |
силикатов |
|
|
|
Островная |
(SiO4)4- |
Оливин |
Форстерит |
|
|
|
Mg2SiO4 |
Цепочечная |
(SiO3)2- |
Пироксен |
Авгит |
(одна цепь) |
|
|
(Ca(Mg,Fe,Al) |
|
|
|
(Si,Al)2O6) |
Ленточная |
(Si4O11)6- |
Амфибол |
Роговая обманка |
(двойная цепь) |
|
|
(Ca,Na)2(Mg,Fe2+)4 |
|
|
|
(Al,Fe3+) (OH)2 |
|
|
|
[(Al,Si)4O11]2 |
Листовая |
(Si2O5)2- |
Слюда |
Мусковит |
(слоевая) |
|
|
KAl2(OH)2 |
|
|
|
[AlSi3O11] |
Каркасная |
(SiO) |
Кварц |
Кварц (SiO2) |
|
|
Полевой шпат |
Ортоклаз |
|
|
|
(KAlSi3O8) |
Рис. 2.6.3. Кристаллические решетки: а - вюрцита (ZnS) и б - перовскита ( СаТiО3)
В цепочечных силикатах КТ соединяются в непрерывные цепочки. Наиболее типичными минералами этой группы являются пироксены, как ромбические – гиперстен (Mg,Fe)2[
Si2O6], так и моноклинные – авгит (Ca,Na)(Mg,Fe2+, Al,Fe3+)[(Si,Al)2O6], диопсид Ca, Mg [Si2O6].
Если цепочки соединяются друг с другом, то образуются ленточные силикаты, представителем которых являются широко распространенная роговая обманка (Ca,Na)2
(Mg,Fe2+)4 (Al,Fe3+) (OH)2 [ (Al,Si)4O11]2.
Слоистые или листовые силикаты характеризуются структурой, в которой КТ соединены друг с другом в виде сплошного, непрерывного листа. К листовым силикатам принадлежат слюды: мусковит KАl2(OH)2[AlSi3O10], биотит K(Mg,Fe)3(OH,F)2[AlSi3O10],
серицит. Слюды очень широко распространены в горных породах всех типов.
К листовым силикатам также относятся тальк Mg3(OH)2[ Si4O10], серпентин
Mg6(OH)8[Si4O10] и хлорит. Эти минералы образуются в результате метаморфических процессов.
Важную |
группу листовых |
силикатов |
представляют |
весьма распространенные |
глинистые |
минералы, образующиеся при выветривании различных горных, но особенно магматических и метаморфических пород. В эту группу входят: каолинит Al4(OH)8[Si4O10] и
монтмориллонит (Mg3,Al2) [Si4O10] (OH)2 nH2O,
являющиеся одними из главных минералов в корах выветривания. К листовым силикатам относятся также гидрослюды, т.е. слюды с присоединенными к ним H2O, ОН и распространенный минерал глауконит, имеющий сложную формулу и представляющий собой водный алюмосиликат Fe,K,Al.
Рис. 2.6.4. Структуры кремнекислородных тетраэдров, образующих различные силикаты
Каркасные силикаты представляют собой одну из важнейших групп породообразующих минералов – полевых шпатов. Они составляют более 50% в земной коре. Полевые шпаты подразделяются на две группы: кальциево-натриевые или плагиоклазы и калиево-натриевые щелочные полевые шпаты. Плагиоклазы представляют собой непрерывный твердый раствор анортита (CaAl2Si2O8) и альбита (NaAlSi3O8) с полным гетеровалентным изоморфизмом. Плагиоклазы подразделяются на кислые, средние и основные по содержанию в них анортита, при этом количество анортита (в %) определяет номер плагиоклаза.