Земная кора

В таблице 5 хорошо видно, что выделение легкоплавких соединений из исходного вещества планеты сопровождалось прогрессирующим накоплением кремния, алюминия, кальция, калия, натрия, фтора, хлора. В то же время большая часть железа, магния, серы оставалась в веществе мантии.

Предложены и другие модели, но независимо от тех или иных представлений о механизме массопереноса большая часть ученых разделяет мнение о том, что земная кора образовалась путем выноса из мантии легкоплавких и легколетучих химических соединений.

Таблица 5

Среднее содержание основных химических элементов в главных типах горных пород и в каменных метеоритах, в весовых процентах

(по А.П.Виноградову)

Процесс выноса легколетучих и легкоплавких химических соединений весьма сложен. Если образование базальтовой коры как продукта выплавления из вещества мантии не вызывает сомнений, то в процессе образования гранитного слоя еще очень много неясного. Многочисленные факты свидетельствуют, что образование крупных масс гранитов приурочено к определенной стадии развития геосинклиналей, на которой процессы регионального метаморфизма достигают своей наивысшей степени — палингенеза. При этом происходит расплавление метаморфизуемых пород под воздействием не только высоких температур и давления, но также глубинных флюидов, дегазированных из мантии. Образующийся расплав насыщается химическими элементами, поступившими в результате дегазации, состав его становится более сложным по сравнению с выплавляемыми базальтами, изливающимися на океаническом дне из глубинных разломов. Рассмотренный процесс получил название гранитизация. Возможно, что таким путем образовались огромные массы гранитных батолитов.

Активный вынос легколетучих соединений, обусловливающих гранитизацию мощных толщ осадков, происходит не повсеместно на поверхности земного шара, а лишь в определенных структурных элементах земной коры — геосинклиналях. Локализация процессов активного выноса, по-видимому, связана с неравномерным распределением источников энергии, в частности, масс радиоактивных элементов в мантии. Таким образом, континенты, кора которых содержит гранитный слой, можно рассматривать как участки земной коры, в пределах которых особенно активно происходил вынос легколетучих и легкоплавких химических соединений из мантии. На площади распространения океанической коры этот процесс происходил менее активно, о чем свидетельствуют не только меньшая мощность слоя выплавленных базальтов, но и бедность океанических базальтов многими химическими элементами по сравнению с базальтами континентальной коры. По расчетам А.Б. Ронова и А.А. Ярошевского, общая масса вещества, вынесенного из мантии в континентальную кору, составляет 22,37*10¹⁸ т, а в океаническую — почти в четыре раза меньше.

Особенно важное значение процесс образования континентальной земной коры имел для перераспределения металлов. Как следует из данных таблицы 6, содержание одних металлов резко возрастает в гранитном слое по сравнению с исходным веществом мантии,

Таблица 6

Перераспределение некоторых редких и рассеянных химических элементов в процессе образования земной коры, в 1-10^-3 %

а содержание других — уменьшается. В процессе выплавления вещества земной коры в мантии задерживались металлы группы железа — никель, кобальт, хром, отчасти марганец. Поэтому содержание никеля в породах верхних горизонтов Земной коры по сравнению с содержанием в исходном веществе уменьшается в десятки раз, примерно в сто раз уменьшается содержание кобальта и хрома, в тысячу раз платины. В процессе выплавления земной коры уменьшилось также содержание ртути, но это произошло по причине выноса паров этого металла, поступавших в атмосферу и растворявшихся в природных водах.

Металлы, содержание которых в целом увеличивается в земной коре, распределяются в горных породах неодинаково. Выделяется группа металлов, концентрирующихся в гранитном слое континентальной земной коры, обогащенной кремнием, алюминием, щелочами, легколетучими соединениями. Сюда относятся цирконий, ниобий, барий, олово, свинец, уран. Например, концентрация свинца увеличивается в 100 раз, урана — еще более. Другая группа металлов концентрируется в базальтовых породах. В эту группу входят титан, ванадий, медь, цинк.

Одновременно с выплавлением легкоплавких соединений из вещества мантии происходило выделение газов разных веществ. В результате дегазации мантии образовалась основная масса газов и воды, имеющихся на нашей планете. При этом расчеты показывают, что на протяжении геологической истории из мантии вынесено только около 10% содержавшихся в ней каждого газа. Так, например, по данным А.П. Виноградова, содержание воды в мантии составляет 2*10²² кг, а ее общее количество в гидросфере и атмосфере — 1,5*10²¹ кг. В результате процесса дегазации выносились также возгоняемые соединения тяжелых металлов.

Совершенно особое положение в земной коре занимает самый наружный слой, который некоторые ученые называют осадочной оболочкой Земли. По минералогическому составу он принципиально отличен от двух других слоев коры. В составе осадочной оболочки преобладают не силикаты с разнообразной кристаллохимической структурой, как в гранитном и базальтовом слоях земной коры, а дисперсные силикаты со сложной структурой — глины, составляющие 40% осадочного слоя, карбонаты — 23%. Среди обломочных минералов, сохранившихся при гипергенном преобразовании гранитного слоя, входящих в состав осадочной оболочки и составляющих 19% ее массы, доминирует кварц — наиболее устойчивый к выветриванию эндогенный минерал. Химический состав осадочного слоя обогащен не только Н₂ O и СO₂ , но также окисленными формами серы, органическим углеродом, хлором, фтором, азотом и тяжелыми металлами. Все эти соединения и элементы выносятся из мантии путем дегазации, но в процессе гипергенеза и седиментогенеза связываются и аккумулируются в веществе осадочного слоя. Таким образом, на поверхности Земли происходит глубокое преобразование вещества гранитного слоя. Главным фактором этого процесса является суммарный геохимический эффект жизнедеятельности организмов. Это проявляется как в непосредственном участии организмов в осадкообразовании, так и в регулировании условий, определяющих направленность преобразования горных пород гранитного слоя: содержание кислорода и углекислого газа в атмосфере, щелочно-кислотных параметров природных вод, окислительно-восстановительных условий, присутствие органических соединений и др. Установлено, что большая часть массы вещества осадочных пород, образованных на протяжении последних 600 млн. лет, находится в пределах континентальной коры, причем примерно половина этой массы сосредоточена в геосинклиналях. Формирование метаморфических пород древних щитов — главных фрагментов гранитного слоя — также происходило в тектонически-активных структурах. Можно предполагать, что многие особенности гранитного слоя сложно связаны с суммарным геохимическим эффектом жизнедеятельности организмов геологического прошлого. Имея это в виду, В.И. Вернадский назвал гранитный слой земной коры «следами былых биосфер».

3. Формирование минералогического разнообразия земной коры

Земная кора слагается природными химическими соединениями — минералами, количество видов которых немногим превышает 2 тыс. Ограниченность природных химических соединений по сравнению со значительно большим количеством искусственных соединений обусловлена многими причинами, главной из которых является очень неравномерное содержание разных химических элементов в земной коре. Диапазон среднего содержания разных химических элементов достигает шести математических порядков.

Наибольшее количество минеральных видов образуют элементы, содержащиеся в земной коре в наибольшем количестве. К ним относятся кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, калий, натрий. Эти элементы образуют группу соединений, массы которых в наибольшем количестве выплавлялись из мантии.

Наряду с ними значительные количества минералов образуют такие элементы, как сера, мышьяк, сурьма, медь, свинец, цинк и некоторые другие металлы, которые активно выносились в процессе дегазации вещества мантии.

Таблица 7

Образование минералов при основных процессах минералообразования

Если рассматривать разнообразие минералообразования при различных эндогенных процессах, то наибольшее количество минеральных видов образуется при процессах, которые протекают при участии продуктов дегазации. Минералы, образующиеся при пневматолитово-гидротермальных и пегматитовых процессах, по подсчетам известного украинского минералога Е.К. Лазаренко, составляют около 30% всех минеральных видов. Еще большее количество минеральных веществ возникает при процессах гипергенеза и осадкообразования, в которых под геохимическим контролем суммарного эффекта жизнедеятельности организмов образуются химические соединения дегазированных элементов, поступивших в атмосферу и гидросферу (табл. 7).

Определенные закономерности обнаруживаются в разнообразии и распределении масс минералов по классам. Отдельные данные приводились при описании минеральных групп, общая их сводка представлена в таблице 8.

Данные этой таблицы позволяют, прежде всего, отметить наиболее многочисленные классы. Несмотря на расхождения в результатах расчетов разных авторов, совершенно очевидно, что наибольшее количество минералов характерно для силикатов. Весьма разнообразен состав класса фосфатов и их аналогов, которые занимают второе место по количеству минералов (17,7%— 16,4%), а также класса сульфидов и им подобных соединений (9,4—13,0%), оксидов и гидроксилов (9,4—12,5%), сульфатов (9,0—12,2%). Состав других классов менее многочислен и составляет несколько процентов или даже доли процента, как, например, минералы класса хроматов.

Таблица 8

Соотношение между отдельными классами минералов и их содержанием в земной коре

Многочисленность минералов того или иного класса не обязательно означает, что эти минералы составляют значительную часть массы земной коры. Хотя наиболее разнообразный видами класс силикатов и преобладает в земной коре, но второй по многочисленности минералов класс фосфатов и их аналогов составляет менее процента массы литосферы (0,7%). Близкие по численности видов классы сульфидов и оксидов резко различаются по своему весовому содержанию в земной коре: первые находятся в количестве 0,15% (по В.И. Вернадскому), вторые — 17% массы коры. Следует отметить, что значения масс минералов в земной коре точно не установлены и определяются разными учеными неодинаковыми величинами. Так, даже для группы преобладающих минералов — силикатов — рассчитаны сильно различающиеся значения. Американский геохимик Г. Вашингтон (1925) определил массу силикатов в земной коре в 63%, В.И. Вернадский (1937) - в 85%, А.Е. Ферсман (1934) - в 74,5%, Е.К. Лазаренко (1963) — в 75%, Б.А. Гаврусевич и Н.И. Сафронов (1968) - в 80%, А.Б. Ронов и А.А. Ярошевский (1967) - в 83%. Последняя цифра, по-видимому, наиболее достоверна.

В целом можно считать, что преобладающую часть массы земной коры составляют силикаты (включая кварц) и отчасти минералы класса оксидов и гидроксилов.

Образование массы представителей некоторых классов связано преимущественно с одним определенным процессом минералообразования. Как показывают данные Е.К. Лазаренко, большая часть минералов класса сульфидов (89%) имеет пневматолитово-гидротермалыгое происхождение и лишь 5% возникают при литогенезе. Вольфрамиты и молибдаты поровну делятся между гипергенным и пневматолитово-гидротермальным генезисом. Для некоторых классов характерно возникновение преобладающего количества минеральных видов при процессах гипергенного минералообразования. Таковы сульфаты, фосфаты и им близкие соединения, нитраты.

Заключение

Представления о земной коре, ее вещественном составе и образовании по мере развития геологии постепенно менялись от наивных представлений о застывшей корке шлака на поверхности огненно-жидкого металлического шара до создания сложных моделей образования земной коры в результате неоднократной переработки аккумуляций легкоплавких и легколетучих веществ, выносимых тепловыми потоками из мантии.

Накопление геологических знаний долгое время происходило двумя почти не связанными между собой путями. С одной стороны, для решения разнообразных практических задач изучались минералы, руды, горные породы, т.е. составные части вещества земной коры. В этом направлении были сделаны важные открытия и накоплен опыт, способствовавший развитию не только минералогии, но и других наук и отраслей человеческой деятельности. Накопленный опыт способствовал становлению минералогии и смежных геологических наук, а также химии и металлургии.

С другой стороны, благодаря наблюдениям натуралистов был собран огромный материал, характеризующий разнообразные геологические процессы: геологическую деятельность морей и рек, ледников и вулканов и т.п. Особое внимание уделялось выявлению процессов образования и возрастному соотношению различных осадков, которые почти сплошь покрывают сушу и с которыми в первую очередь сталкивается в своей работе геолог.

Одновременно исследователи стремились понять процессы образования различных осадков и выяснить их возрастные соотношения. В начале XIX в. знаменитый английский геолог Ч. Лайель показал, что осадки, образованные в отдаленном геологическом прошлом, являются результатом тех же процессов, которые происходят в настоящее время. Немногим ранее его соотечественник У.Смит установил, что относительный геологический возраст изучаемых осадков вне зависимости от их географического нахождения можно определять с помощью окаменелых останков организмов, которые существовали во время отложения данных осадков. Эти фундаментальные открытия явились теоретической основой для развернувшегося изучения геологического строения разных территорий.

В то же время изучались условия залегания горных пород глубинного происхождения. В середине XIX в. был разработан метод изучения плотных горных пород под микроскопом, который открыл недоступный ранее для изучения мир кристаллизационных и метасоматических процессов, происходящих при образовании магматических и метаморфических пород, руд и пневматолитово-гидротермальных образований. Во второй половине XIX в. начинается синтезирование достижений минералогии, петрографии и рудного искусства с результатами изучения геологического строения отдельных регионов мира. На этой основе русскими, американскими, французскими геологами создаются первые гипотезы образования и строения крупных геотектонических элементов земной коры — геосинклиналей, платформ, кристаллических щитов и плит. В 1881 г. австрийский геолог Э. Зюсс вводит в научный лексикон термин «земная кора», а в странах Западной Европы разрабатываются методы изучения земных недр с помощью регистрации скорости распространения сейсмических воли.

Первые десятилетия XX в. знаменуются открытием границ раздела земной коры и мантии и закономерностей вертикального строения коры континентов и океанов. Минералогия и петрография из описательных наук постепенно превращаются в генетические, изучающие процессы образования минералов и пород. Возникла новая наука — геохимия, на атомном уровне изучающая эволюцию химического состава вещества Земли и земной коры, устанавливающая закономерности миграции химических элементов при геологических процессах. Опираясь на достижения физики и физической химии, быстро развиваются новые методы изучения вещества земной коры и экспериментального моделирования процессов образования и преобразования горных пород в условиях высоких температур и давлений.

До середины XX в. геологические исследования ограничивались границами суши и ее подводной окраины. С конца 50-х гг. развертываются работы по изучению строения дна океанов и происходящих там геологических процессов с помощью подводных аппаратов и глубоководного бурения. Новая информация вносит существенные коррективы во взгляды на геологическое строение земной коры и формирующие ее процессы. В свете современных научных достижений стало ясно, что отдельные геологические эндо- и экзодинамические процессы представляют собой звенья единого планетарного процесса формирования твердой, жидкой и газовой наружных оболочек планеты. Грандиозный процесс выноса из мантии легкоплавких и газообразных веществ происходит не равномерно по всей поверхности земного шара, а регулируется мощными тепловыми потоками, генерируемыми источниками энергии, образующими сгущения в недрах мантии.

Радиальные потоки тепловой энергии и выносимых веществ обусловливают формирование глобальных структур земной коры. Базальты, изливающиеся в активных срединных хребтах океанов, образуют сравнительно маломощный слой, под которым располагается твердое вещество мантии, представленное породами ультраосновного состава. Есть основания предполагать, что имеющая такой состав твердая оболочка расчленена на крупные фрагменты — литосферные плиты, которые перемещаются по поверхности пластичных масс мантии. Эти фрагменты под воздействием конвективных перемещений масс вещества мантии могут опускаться под мощные блоки материковой коры или взаимодействовать с ними на контакте. В том и другом случае фрагменты океанической коры снова оказываются в мантии и вновь подвергаются процессам выплавления и дегазации. Таким образом, формирование состава вещества и структур океанической коры происходит на фоне циклического процесса массообмена в системе земная кора верхняя мантия. Эта система стационарна, но не замкнута, так как в нее вовлекаются в разное время неодинаковые массы, и открытая, ибо в циклический процесс включаются не только массы базальтового слоя океанической коры, но также породы верхней мантии, участки континентальной коры и морские осадки.

Еще более сложным представляется формирование континентальной коры, в которой над базальтовым слоем располагается мощный гранитный слой. В образовании вещества этого слоя, состоящего не только из легкоплавких соединений, но также из минералов, богатых легколетучими химическими соединениями, еще много неясного. Тем не менее, можно предполагать, что в его формировании важное значение имели процессы глубокого метаморфизма мощных осадочных толщ, накапливавшихся в специфических структурах континентальной коры — геосинклиналях. При этом следует отметить, что присутствие легколетучих соединений, отличающих гранитный слой от базальтового слоя океанической коры, выплавляемой из мантии, предопределено составом осадков. Именно осадочная оболочка Земли является аккумулятором легколетучих продуктов дегазации мантии — производных угольной, фторводородной, соляной, борной, серной кислот.

Выдающимся русским ученым В.И. Вернадским еще в 20-е гг. было показано, что самой мощной геохимической силой, действующей на поверхности Земли, является эффект суммарной жизнедеятельности всех организмов. Под влиянием этого эффекта на протяжении геологической истории изменялся состав атмосферы и природных вод, регулировались процессы гипергенного минералообразования и осадконакопления, т.е. образования того вещества, которое поступает в геосинклинали и подвергается метаморфизму и гранитизация.

Значение идей В.И. Вернадского было осознано лишь в последние десятилетия XX в. Вклад биогенных процессов в образование гранитного слоя еще недостаточно изучен, но можно предполагать, что включение биогенных минеральных образований в процессы палингенеза имело важное значение для формирования гранитной магмы, метаморфических


29-04-2015, 00:45