Лекция 2

Минералы в строении вселенной. Минералы метеоритов. Строение земной коры и минералогическая зональность. Химическая связь. Теория кристаллического поля. Кристаллическая структура минералов.

Минералы в строении вселенной Минералы метеоритов

К настоящему времени изучен состав около 2 800 метеоритов. Установлено громадное разнообразие их состава, текстур, структур и возраста. Все множество метеоритов разбито на 4 класса и далее – на подклассы. Выделяют хондриты, ахондриты, железистые и железокаменные метеориты. Хондриты и ахондриты – это каменные (преимущественно силикатные) метеориты; первые состоят из агрегатов хондр (глобул), вторые имеют равномерное зернистое сложение.

Хондриты могут быть разного минерального состава и иметь различные сочетания минералов (энстатит, тэнит¹; оливин, гиперстен, тэнит; оливин, моноклинный пироксен пижонит; серпентин, хлорит, углеродистое вещество).

Ахондриты (энстатит; гиперстен; оливин; оливин, пижонит, тэнит; авгит; диопсид, оливин).

Железистые метеоритысостоят (камасит²(феррит); камасит, тэнит; тэнит).

Железокаменные(оливин, тэнит; энстатит, тэнит; гиперстен, оливин, тэнит; пироксен, плагиоклаз, тэнит).

Полагают, что метеориты являются фрагментами каких-то разорвавшихся космических тел. Большая часть метеоритов приходит к Земле из пространства между орбитами Марса и Юпитера. Известны случаи образования метеоритов из вещества, отторгнутого с поверхностей Марса и Луны.

В целом в составе метеоритов обнаружено около 100 минералов. Наиболее часто главными минералами в разных метеоритах являются оливин, пироксен, плагиоклаз, тэнит, камасит (феррит), троилит FeS, шрейберзитFe₂Ni₃Pи графит, иногда аморфное углеродистое вещество и вторичные минералы – серпентин, хлорит, монтмориллонит и др. Из редких, специфических минералов, не известных на Земле, наиболее оригинальны по составу карлсбергитCrN, осборнитTiN, баррингерит (Fe,Ni)₂P, добрелитFeCr₂S₄и др.

Как сказал известный исследователь метеоритов Р. Додд, «наши знания о метеоритах ограничены тем, что мы имеем искаженную и неполную выборку проб из метеорито-формирующих объектов и родительских тел». Они являются частицами многих, может быть, 70–80 родительских тел и все, за малым исключением, образовались до более древних горных пород Земли и Луны, известных сейчас. Предполагают, что некоторые хондриты содержат материал более ранний, чем Солнечная система, и (или?) поступивший из-за ее пределов.

Строение земной коры и минералогическая зональность

Под земной корой мы будем подразумевать верхнюю оболочку Земли, доступную непосредственному наблюдению. Непосредственные исследования могут достигать глубины несколько километров (Кольская сверхглубокая скважина пробурена до 12 км, нефтяные скважины достигают 4–5 км, шахты в некоторых районах Земли достигают 1–2 км (до 4 км), например, золоторудный район Витватерсранд).

Непосредственно на земной поверхности в некоторых районах мы можем наблюдать породы, образовавшиеся на глубине до нескольких десятков километров (как считают, древние массивы платформ образовались на глубине до 50 км). Древние щиты на платформах, вышедшие на поверхность в результате эрозии верхних слоев Земли, геосинклинальные области (области горообразования) – вот где можно встретить породы, поднятые из различных глубин на поверхность и изучить их состав и строение. Сейчас уже исследовано достаточно много пород из глубинных областей Земли, и до глубины 12–20 км уже достаточно уверенно можно судить о составе земной коры. О составе базальтового слоя земли стало возможным судить после многочисленных исследований пород океанского дна – было пробурено много скважин, которые вскрыли первые два слоя океанской литосферы: осадочный и базальтовый. Минеральный состав верхних частей мантии изучают на основе данных, полученных по геофизическим данным и многочисленным обломкам пород, вынесенных из мантии базальтовыми или кимберлитовыми расплавами.

На основании геофизических данных мы имеем представление о том, что плотность земного шара очень различается. Земная кора имеет сравнительно низкую плотность (в среднем 2,7–2,8 г/см³), тогда как средняя плотность Земли 5,527, поэтому предполагают, что плотность пород (и минералов) увеличивается в глубь Земли, это же подтверждается разной и все увеличивающейся скоростью сейсмических волн в мантии.

Увеличение плотности минералов происходит в результате уплотнения их кристаллической структуры – она становится более компактной, а минерал приобретает большую плотность. Установлено, что плотность силикатных минералов тем больше, чем выше температура и давление, при которой они образуются.

Каждый минерал может образоваться только при определенных сочетаниях химического состава, температуры и давления. При увеличении температуры и давления становится возможным образование только определенных минералов, устойчивых при этих физико-химических условиях.

Вы знаете, что континентальная земная кора имеет три слоя: осадочный, гранитный и базальтовый, а океаническая – два: осадочный и базальтовый. Минеральный состав каждого слоя подчиняется вышеназванным закономерностям.

Осадочный слой преимущественно сложен минералами с неплотной структурой: слоистыми силикатами, гидроксидами, карбонатами, сульфатами и каркасными силикатами.

Гранитный слой сложен сравнительно легкими минералами: в основном каркасными силикатами с довольно рыхлой структурой (кварцем, полевым шпатом и биотитом), меньше более тяжелыми минералами – цепочечной, ленточной структуры (пироксенами, амфиболами и др. – их около 10–25 %).

В базальтовом слое количество тяжелых минералов (роговой обманки, пироксена, оливина) повышается – в среднем их около 50 % (или больше). А в нижних частях земной коры и в мантии легких минералов (с неплотной структурой) почти нет. Предполагают, что нижние части земной коры и мантия сложены исключительно тяжелыми минералами: оливином, пироксеном, гранатом (пиропом), хромитом и другими более редкими минералами.