ЛЕКЦИЯ № 3
ВЕЩЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ ЗЕМЛИ. МИНЕРАЛЫ
И ГОРНЫЕ ПОРОДЫ
Химический состав
земной коры. Морфология и систематика минералов.
Горные породы и их
классификация
Химический состав земной коры. Морфология и систематика минералов.
Для установления
состава земной коры ученые изучают химический состав горных пород и минералов,
выходящих на поверхность Земли или поднятых со дна океанов. Образцы этих пород
отбирают из горных выработок и скважин и
проводят различные химические анализы. Средний химический состав литосферы,
земной коры, доступной для исследования, установлен довольно точно. Первые
обобщения о составе земной коры были опубликованы американским ученым Ф.
Кларком в 1889 г. Позже, по мере получения новых материалов,
данные о среднем составе земной коры уточнялись зарубежными и русскими
исследователями. Из русских ученых большую работу в этом направлении проделали
В.И Вернадский (1904-1914), А.Е. Ферсман (1950), Н.П. Виноградов (1962).
Среднее химическое содержание химических элементов в земной коре было названо кларком , в честь американского
ученого Ф. Кларка. Такие средние значения подсчитаны не только для земной коры,
но и для литосферы и Земли в целом. Величины кларков
земной коры у разных элементов различаются в миллиарды раз.
В земной коре преобладают три
химических элемента: кислород (
) – 46%, кремний (Si) и алюминий
(Al), которые вместе составляют 82,6%
массы земной коры. На долю еще шести элементов (железа (Fe), кальция (Ca), натрия (Na), калия (K), магния (Mg), титана (Ti)) –
приходится 15,2%, а на все остальные химические элементы табл. Менделеева 2,2%
массы земной коры.
По распространению в земной коре
выделяют следующие группы элементов
1.
Макроэлементы – элементы с кларком более 1%:
кислород – 47%
кремний – 29,5%
алюминий – 8%
железо – 4,7%
кальций – (3%)
натрий -2,5%)
калий- ( 2,5%)
магний- (1,9)
титан- (0,45%).
Эти девять элементов составляют
около 98% массы земной коры.
2.
Микроэлементы. Они подразделяются на:
а) редкие элементы с кларком 0,01-0,0001 – образуют свои минералы
(например, медь);
б) редкие рассеянные элементы – не
образуют своих минералов
(например, теллур);
в) ультрамикроэлементы
– это такие элементы как, например, ртуть, золото (кларк
4,7*10 – 8 %).
Земная кора сложена минералами и
горными породами. Рассмотрим общие известные сведения о минералах. Подавляюще
большинство химических элементов образуют в земной коре простые или сложные
соединения (исключение составляют инертные газы и самородные элементы).
Минералом называется
природное химическое соединение элементов, или самородный элемент, возникших в
результате определенных физико-химических процессов, протекающих в земной коре
или на ее поверхности.
В настоящее время известно около
трех тысяч минералов, включая их разновидности. Они могут
быть твердыми (их большинство), жидкими (вода, ртуть), газообразными (метан,
сероводород). Большинство твердых минералов – это кристаллические
образования, и лишь их небольшая часть имеют аморфное строение. Кристаллические
минералы способны самоограняться, то есть создавать
правильные кристаллы, а аморфные минералы образуют бесформенные массы (опал,
малахит, обсидиан).
Минералы имеют целый ряд физических
свойств, по которым определяют их вид и классы, к ним относятся: агрегатное
состояние, цвет , блеск, твердость, прозрачность,
излом и т. Д. Нередко минералы состоят из одного химического элемента, поэтому
их объединяют в класс самородных минералов – это графит, алмаз (углерод), сера
(сера), все благородные металлы (медь, серебро, золото, платина) и редкие
металлы (иридий, палладий, осмий и т. д.). Однако большинство минералов это все
же сложные в химическом отношении соединения.
Минералы могут образовывать разнообразные огранённые кристаллы, тогда по
форме кристалла можно определить название минерала. Для того,
чтобы правильно написать формулу минерала, надо знать, каким образом в его
структуре располагаются слагающие еѐ – атомы,
молекулы, ионы. Кристаллическая структура – это порядок расположения частиц в
пространстве.
Внутреннее устройство кристалла отражается и на его внешнем облике, и на
его форме. Многие названия форм кристаллов происходят от греческих
числительных. Называют грани (эдра), углы (гония) в
многоугольнике, образующем эту грань.
Так, названия распространенных форм кристаллов обозначают:
октаэдр – восьмигранник (от греч. «окта» – восемь);
тетраэдр – четырехгранник (от греч. «тетра» – четыре);
гексаэдр – шестигранник (от греч. «гекса»
– шесть).
Отсюда, все кристаллы по степени симметричности делят на семь классов (сингоний): кубическую, тетрагональную,
гексагональную, тригональную, ромбическую, моноклинную, триклинную.
Например, каменная соль имеет форму кристаллов в виде куба, кальцит –в виде гексаэдра, ангидрит – октаэдра. Одни и те же
вещества в разных условиях могут образовывать совершенно разные кристаллические
структуры, а следовательно, и разные минералы.
Например, если у углерода гексагональная форма, то образуется графит, а если
кубическая – алмаз.
Минералы имеют определенную морфологию и облик, которые характеризуются, прежде
всего, степенью изометричности и отражаются в различном соотношении их длины,
ширины и толщины. В зависимости от этих соотношений выделяются минералы
удлинённые (столбчатые, игольчатые, нитевидные), изометричные и утолщенные
(таблитчатые, листовые, тонкочешуйчатые).
Внешний облик ограненных минералов или их габитус определяется
преобладанием граней тех или иных простых форм. Габитус минералов
может быть кубическим, октаэдрическим,
тетраэдрическим, призматическим, дипирамидальным и проч.
В природе минералы встречаются не только в виде отдельных индивидов, но и в
виде совокупности нескольких минералов одного и того же происхождения. Наиболее
распространены разнообразные землистые агрегаты, которыми сложены все
кристаллические породы. Зернистые агрегаты характерны для порошковатых, рыхлых
минералов и для глин, бокситов и т.д. Различают шестоватые, волокнистые,
пластинчатые, чешуйчатые и другие агрегаты. В природе выделяются также друзы,
конкреции, секреции, жеоды, дендриты, оолиты, натёки и почковидные агрегаты.
Друзы –
незакономерные сростки отдельных кристаллов.
Конкреции –
образования, имеющие вид желваков, шаровидных стяжений со скорлуповатым или
радиально-лучистым строением. В виде конкреций встречаются фосфориты, марказит
и др.
Секреции представляют
собой форму отложения минерального вещества в полостях. Причём рост минералов
происходит от периферии к центру. Обычно секреции имеют овальную форму. Если
размер секреции более 1-2 см в диаметре, она носит название жеоды.
Дендриты имеют
ветвящееся древовидное строение и похожи на отпечатки растений (чаще
папоротников). Они образовались благодаря проникновению растворов по тонким
волосовидным трещинкам породы.
Оолиты
представляют собой агрегат мелких шариков, размер которых может быть от 0,05 мм
до 2-3 см в диаметре. В разрезе шарики имеют концентрическое (реже
радиально-лучистое) строение; в центре
иногда можно видеть песчинку или обломок раковины.
Натёки и
почковидные агрегаты очень распространены среди поверхностных образований.
Натёчные формы могут иметь вид сосулек, растущих сверху (сталактиты) и снизу
(сталагмиты).
Минералы
характеризуются физическими свойствами,
такими как цветом,, цветом черты, блеском, твердостью, спайностью, плотностью,
изломом, ковкостью, магнитностью, вкусом. Каждый минерал отличается определенным сочетанием названных свойств.
Описание этих свойств можно найти в соответствующих минералогических
справочниках.
Цвет для многих минералов очень
характерен и может меняться в зависимости от освещения. Например, аквамарин
имеет голубой цвет, пирит –желтый и т.д. Цвет черты
минерала на шероховатой форфоровой пластинке,
показывает его цвет в порошке. Например, латунно–желтый халькопирит оставляет
на ней зеленовато–черную черту, а черный сфалерит – коричневую.
Блеск минерала
может быть металлическим (магнетит, пирит), стеклянным (кальцит, гипс), жирным
(нефелин), шелковистым (гипс, асбест).
Твердость минералов – способность их
сопротивляться царапанью, давлению, истиранию другим минералом. Для определения
твердости принята шкала Мооса. В ней десять минералов расположены в порядке
возрастающей твердости и каждый предыдущий минерал
чертится последующим.
Твердость обозначают порядковой
цифрой шкалы твердости: 1 – тальк (мягкий карандаш), 2 – гипс (ноготь), 3 –
кальцит (бронзовая монета), 4 – флюорит (стекло), 5 – апатит (остриѐ ножа), 6 – ортоклаз (напильник), 7 – кварц, 8
– топаз, 9 – корунд, 10 – алмаз.
Классификация минералов основывается либо на их химическом составе (12
классов), либо на их происхождение (генезис). По происхождению все минералы
делятся на:
а) магматические –
образуются в момент излияния лавы на земную поверхность;
б) пегматитовые – образуются
на последних стадиях остывания магмы или лавы в недрах Земли (так образуются
многие рудные минералы, драгоценные камни, радиоактивные минералы);
в) пневматолитовые
– образуются в трещинах и в разломах земной коры в результате остывания
перегретого пара, содержащего фтористые, хлористые и сернистые соединения (так
образуются все руды редких металлов – вольфрама, молибдена, висмута);
г) гидротермальные – эти
минералы образуются при выпадении осадка из горячих водных растворов (так
образуются многие россыпные месторождения золота, серебра, платины, ртути,
свинца, цинка и др.);
д) гипергенные –
образуются в самых верхних слоях земной коры, а также в морях
, озерах, болотах, в результате химических реакций и роста концентрации
растворов (так образуются все соли – галит, мирабелит, кальцит и т.д.).
По химическому составу выделяются
минералы классов:
- самородные
элементы
- сульфиды
- оксиды
и гидроксиды
- галоидные
соединения
- карбонаты
- фосфаты
- сульфаты
- силикаты
и алюмосиликаты
- органические
соединения.
Горные породы и их классификация
Горные породы – это природный агрегат, состоящий из одного или нескольких
минералов, или минеральных обломков.
Порода,
состоящая из одного минерала называется – мономинеральная (кварц → кварцит), если горная порода состоит
из нескольких минералов, то она называется полиминеральной (кварц, ортоклаз,
полевой шпат, роговая обманка → гранит) (рис. 5).
Минералы, входящие в состав горной
породы и определяющие ее свойства, называются породообразующими. По
происхождению и условиям образования все горные породы делятся на три класса:
1)
магматические
горные
породы – образуются при застывании
лавы (природного силикатного расплава) на поверхности Земли, либо в ее недрах.
95% горных пород земной коры состоят из магматических горных пород. Они делятся
на два подкласса:
а) интрузивные
магматические горные породы (intrusio лат. - внедрение)
– образуются при внедрении магмы в земную кору и ее застывании там, процесс
часто сопровождается землетрясением.
1.
2. 
Рис. 5.
Горные породы: 1-Гранит; 2 - Габбро
б) эффузивные
магматические горные породы (aeffusio лат. - излияние)
– образуются при излиянии лавы на поверхность Земли и ее застывании там.
В
зависимости от процентного содержания в магматических г/п
кремнезема (SiO2), они
делятся на четыре группы (рис.64).:
- кислые
магматические горные породы –
содержание кремнезема 75-65% (гранит);
- средние магматические горные породы – содержание кремнезема 65-52%
(диорит, андезит);
- основные магматические горные породы – содержание кремнезема 52-40%
(базальт, диабаз) ;
- ультраосновные магматические горные породы - содержание кремнезема < 40% (дунит, перидотит).
1.
2 
Рис. 6.
Горные породы: 1- Базальт; 2 -Обсидиан
2) осадочные горные
породы – поверхность литосферы на
80% покрыта осадочными горными породами, 95% которых имеют морское
происхождение. Осадочные г/п сформировались в
результате разрушения ранее существовавших г/п и накопления продуктов этого
разрушения. Процессы разрушения и накопления осадочных горных пород идут на
Земле повсеместно: в пустынях, на дне морей и океанов, в речных долинах, горных
областях. Для большинства осадочных г/п характерна
слоистая структура.
В составе
осадочных горных пород различают:
1. Обломки ранее существовавших горных пород
или слагающих их минералов. Наиболее распространенными минералами являются
кварц, полевые шпаты, слюды, пироксен, амфиболы и др.
2. Цементы, связующие между собой отдельные
обломки пород и минералов. Чаще встречаются цементы, состоящие из углекислого
кальция и магния (известковый и доломитовый цемент), аморфных разновидностей
кремнезёма (кремнистый цемент), водных окислов железа (железистый цемент) или
глинистых частиц (глинистый цемент). Часто цемент имеет комбинированный состав,
например. известково-глинистый, железисто- кремнистый
и т.д.
3. Минералы, образующиеся в процессе
химического разложения полевых шпатов, слюд или других минералов (каолинит,
гидрослюды, глауконит, нонтронит и др.)
4. Минералы, кристаллизующиеся при выпадении
из водных растворов различных солей или окислов кремнезёма: гипс, каменная и
калийная соль, халцедон, опал и др.
5. Остатки организмов.
6. Конкреции, представляющие собой стяжения
вещества, и отличающиеся обычно по составу от окружающей среды. Например,
конкреции пирита в глинах, фосфорита в различных осадочных породах и т.д.
В основу
классификации осадочных пород положено, с одной стороны, их происхождение, а, с
другой – их химический и минералогический состав. Так, по способу накопления осадков различают породы обломочные,
химические и органические. В особую группу выделены глинистые породы.
а) обломочные
осадочные горные породы – образуются в результате механического
накопления обломков ранее существовавших г/п.
Используются как строительный материал, к ним часто приурочены россыпные
месторождения алмазов, золота, платины и др. минералов.
б) глинистые
осадочные горные породы – формируются в результате скопления продуктов
механического и химического разрушения г/п. Они самые
распространенные на Земле, к ним приурочены месторождения горючих полезных
ископаемых – нефти, природного газа и т.д.
в) хемогенные
и органогенные осадочные горные породы – первые формируются при
выпадении осадков из растворов, а вторые – результат жизнедеятельности
организмов или скопление отмерших организмов (рис. 7). Общим для тех и других
является то, что они образуются в водной среде. Они делятся на 4 подгруппы:
- карбонатные осадочные горные породы
(известняк, ракушечник, мел, доломит и т.д.);
- кремнистые осадочные горные породы
(кремень, яшма, туф);
- железистые осадочные горные породы
(болотная или озерная руда);
- галоидные осадочные горные породы (галит, мирабелит, поваренная
соль).
Рис. 7. Органогенные известняки
Кремнистые породы почти целиком сложены
кремнезёмом химического или
биохимического происхождения и скелетами кремниевых организмов. К кремнистым
породам относятся кремнистые туфы, радиоляриты, диатомиты и др.
Карбонатные породы. Среди этих пород выделяются известняки, доломиты, мергели. Известняки
состоят из кальцита и бывают органогенного и химического происхождения. Органогенные
известняки образованы из остатков организмов. Последние редко сохраняются
полностью. Чаще они раздроблены, а также изменены последующими процессами. Эти
известняки состоят из различных организмов и тогда название их (если можно
определить) ставится в название породы. Например, фузулиновый,
коралловый и т.д. известняк. Если известняк состоит из целых раковин, его
называют известняк – ракушечник. Разновидностью органогенного известняка
является мел. Известняки химического происхождения встречаются в виде плотных
тонкозернистых масс, оолитовых известняков и натёчных образований кальцита
(сталактиты и сталагмиты).
Доломиты образуются как за счёт замещения в известняке кальция магнием, так и путём
химического выпадения из раствора при большом содержании в воде магния.
Мергель – известково-глинистая порода, состоящая из кальцита и глинистых частиц
(30-50%).
Фосфатные породы представлены фосфоритами. Сложены они аморфными или микроскопическими фосфатами
кальция с примесью глинистого или песчаного материала.
Углеродистые соединения – каустобиолиты. Это большая подгруппа пород
органического состава и органогенного происхождения. Эти
породы бывают твердыми (торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит, горючие
сланцы, асфальт), жидкими (нефть) и газообразными (горючие сланцы).
Ископаемые угли – это в той или иной степени разложенные
растительные остатки. При разложении органических остатков без доступа
кислорода образуются твердые органические вещества богатые углеродом
(гумусовые), которые составляют основную часть торфа. Если торф перекрывается
осадочным пластом, он уплотняется, теряет часть воды. Под действием бактерий
гумусовое вещество постепенно обогащается углеродом. Если биохимические процессы
протекают под небольшим давлением и при температуре не выше 700, образуются
бурые угли. Для образования каменного угля из
бурого необходимо большое давление и температура не ниже 3000С. Поэтому
каменные угли формируются там, где
в кровле залегают толщи горных
пород мощностью несколько сот метров или происходит пропаривание их магмой. Количество углерода в цепочке: от бурого угля к каменному и далее к
антрациту повышается от 69 до 95%, а количество кислорода по этой же линии
понижается от 25 до 2,5%.
Горючие сланцы – это глинистые, известковистые, песчанистые породы, содержащие
органическое вещество. В зависимости от его происхождения выделяются следующие
природные типы горючих сланцев: битуминозные (пропитанные нефтяными битумами),
гумусовые (органическое вещество за счёт разложения высших растений),
сапропелевые (за счёт разложения низших растений и простейших организмов).
Нефть – смесь жидких и газообразных углеводородов метанового и ароматического
рядов с небольшой примесью асфальто-смолистых
веществ. Это смесь углеводородов, кислородных, азотных и сернистых соединений.
Основную часть нефти составляют углеводороды (около 96-98%). Асфальт является продуктом окисления
нефти. Состоит из углерода (80%), водорода (10%), кислорода (10%).
3) метаморфические
горные породы – они образуются
при высоких температурах и давлении, в результате процесса пневматолиза
(процесс изменения минерального состава исходных горных пород под действием
химически активных веществ - флюидов), происходящих в глубинах Земли (рис. 8).
Главные
породообразующие минералы у метаморфических горных пород те же, что и у
магматических и осадочных– кварц, слюда, полевой шпат.
Разрушенные магматические и осадочные горные породы погружаются в недра Земли,
где из них образуются метаморфизованные горные породы.
Пример: кварцевый песок → кварцит;
известняк → мрамор; глина → глинистый сланец.
Рис. 8. Примеры образования метаморфических пород