Akmeninis Žemės apvalkalas – žemės pluta – tvirtai pritvirtintas prie viršutinės mantijos ir su juo sudaro vientisą visumą. Žemės plutos ir litosferos tyrimas leidžia mokslininkams paaiškinti Žemės paviršiuje vykstančius procesus ir numatyti mūsų planetos išvaizdos pokyčius ateityje.
Žemės plutos sandara
Žemės pluta, sudaryta iš magminių, metamorfinių ir nuosėdinių uolienų, esanti ant vandenyno ir po jais, turi skirtingą storį ir struktūrą.
Žemyninėje plutoje įprasta skirti tris sluoksnius. Viršutinė yra nuosėdinė, kurioje vyrauja nuosėdinės uolienos. Du apatiniai sluoksniai sąlyginai vadinami granitu ir bazaltu. Granito sluoksnis daugiausia susideda iš granito ir metamorfinio bazalto sluoksnio – iš tankesnių uolienų, kurių tankis panašus į bazaltus. Vandenyno pluta yra dviejų sluoksnių. Jame viršutinis sluoksnis - nuosėdinis - yra nedidelio storio, apatinis sluoksnis - bazaltas - susideda iš bazalto uolienų, o granito sluoksnio nėra.
Žemyninės plutos storis po 30 50 kilometrų, po kalnais – iki 75 kilometrų. Okeaninė pluta daug plonesnė, jos storis nuo 5 iki 10 kilometrų.
Pluta yra kitose antžeminėse planetose, Mėnulyje ir daugelyje milžiniškų planetų palydovų. Tačiau tik Žemė turi dviejų tipų plutą: žemyninę ir vandenyninę. Kitose planetose daugeliu atvejų jis susideda iš bazaltų.
Litosfera
Žemės akmeninis apvalkalas, įskaitant viršutinę mantijos dalį, vadinamas litosfera. Po juo yra šildomas plastikinis mantijos sluoksnis. Atrodo, kad ant šio sluoksnio plūduriuoja litosfera. Litosferos storis skirtinguose Žemės regionuose svyruoja nuo 20 iki 200 kilometrų ir daugiau. Apskritai po žemynais jis yra storesnis nei po vandenynais.
Mokslininkai nustatė, kad litosfera nėra monolitinė, bet susideda iš. Juos vieną nuo kito skiria gilūs gedimai. Yra septynios labai didelės ir kelios mažesnės litosferos plokštės, kurios nuolat, bet lėtai juda palei plastinį mantijos sluoksnį. Vidutinis jų judėjimo greitis siekia apie 5 centimetrus per metus. Kai kurios plokštės yra visiškai okeaninės, tačiau dauguma jų turi skirtingų tipų plutą.
Litosferos plokštės juda viena kitos atžvilgiu skirtingomis kryptimis: arba tolsta, arba, atvirkščiai, artėja ir susiduria. Kaip litosferinių plokščių dalis juda ir jų viršutinis „grindys“ – žemės pluta. Dėl litosferos plokščių judėjimo keičiasi vieta Žemės paviršiuje. Žemynai arba susiduria vienas su kitu, arba nutolsta vienas nuo kito tūkstančius kilometrų.
Litosfera yra trapus, išorinis, kietas Žemės sluoksnis. Tektoninės plokštės yra litosferos segmentai. Jos viršūnę nesunku pamatyti – ji yra Žemės paviršiuje, tačiau litosferos pagrindas yra pereinamajame sluoksnyje tarp žemės plutos ir yra aktyvių tyrimų sritis.
Litosferos lenkimas
Litosfera nėra visiškai standi, tačiau turi nedidelį elastingumą. Jis išlinksta, kai jį veikia papildoma apkrova, arba atvirkščiai, sulinksta, jei apkrovos laipsnis susilpnėja. Ledynai yra viena iš apkrovų rūšių. Pavyzdžiui, Antarktidoje stora ledo kepurė stipriai nuleido litosferą iki jūros lygio. Tuo tarpu Kanadoje ir Skandinavijoje, kur ledynai ištirpo maždaug prieš 10 000 metų, litosfera nėra stipriai paveikta.
Štai keletas kitų litosferos apkrovos tipų:
- Ugnikalnio išsiveržimas;
- Nuosėdų nusėdimas;
- Jūros lygio kilimas;
- Didelių ežerų ir rezervuarų susidarymas.
Poveikio litosferai mažinimo pavyzdžiai:
- Kalnų erozija;
- Kanjonų ir slėnių formavimasis;
- Didelių rezervuarų džiovinimas;
- Jūros lygio kritimas.
Litosferos įlinkis dėl minėtų priežasčių dažniausiai yra palyginti nedidelis (dažniausiai gerokai mažesnis nei kilometras, bet galime išmatuoti). Mes galime sumodeliuoti litosferą naudodami paprastą inžinerinę fiziką ir susidaryti supratimą apie jos storį. Taip pat galime ištirti seisminių bangų elgseną ir pastatyti litosferos pagrindą gylyje, kur šios bangos pradeda lėtėti, o tai rodo, kad yra minkštesnės uolienos.
Šie modeliai rodo, kad litosferos storis svyruoja nuo mažiau nei 20 km netoli vandenyno vidurio kalnagūbrių iki maždaug 50 km senuose vandenynų regionuose. Po žemynais litosfera yra storesnė - nuo 100 iki 350 km.
Tie patys tyrimai rodo, kad po litosfera yra karštesnis ir minkštesnis uolienų sluoksnis, vadinamas astenosfera. Astenosferos uoliena yra klampi, nėra standi, o veikiama įtempimo deformuojasi lėtai, kaip glaistas. Todėl litosfera gali judėti per astenosferą veikiama plokščių tektonikos. Tai taip pat reiškia, kad žemės drebėjimai sudaro įtrūkimus, kurie tęsiasi tik per litosferą, bet ne už jos.
Litosferos sandara
Litosfera apima plutą (žemynų kalnus ir vandenyno dugną) ir aukščiausią mantijos dalį po žemės pluta. Šie du sluoksniai skiriasi mineralogija, tačiau yra labai panašūs mechaniškai. Dažniausiai jie veikia kaip viena plokštė.
Atrodo, kad litosfera baigiasi ten, kur temperatūra pasiekia tam tikrą lygį, dėl to vidurinė mantijos uoliena (peridotitas) tampa per minkšta. Tačiau yra daug komplikacijų ir prielaidų, ir galima tik pasakyti, kad šios temperatūros svyruoja nuo 600º iki 1200ºC. Daug kas priklauso nuo slėgio ir temperatūros, taip pat nuo uolienų sudėties pokyčių dėl tektoninio maišymosi. Tikriausiai neįmanoma tiksliai nustatyti aiškios apatinės litosferos ribos. Tyrėjai savo darbuose dažnai nurodo litosferos šilumines, mechanines ar chemines savybes.
Vandenyno litosfera yra labai plona besiplečiančiuose centruose, kur ji susidaro, tačiau laikui bėgant storėja. Vėsdama karštesnė uoliena iš astenosferos atvėsta apatinėje litosferos pusėje. Per maždaug 10 milijonų metų vandenyno litosfera tampa tankesnė už po ja esančią astenosferą. Todėl dauguma vandenyno plokščių visada yra paruoštos subdukcijai.
Litosferos lenkimas ir sunaikinimas
Jėgos, kurios lenkia ir ardo litosferą, pirmiausia kyla dėl plokščių tektonikos. Plokštėms susidūrus, vienoje plokštelėje esanti litosfera nugrimzta į karštą mantiją. Šiame subdukcijos procese plokštė nusilenkia 90 laipsnių. Jai lenkiant ir leidžiantis žemyn, subdukcinė litosfera smarkiai trūkinėja, sukeldama žemės drebėjimus besileidžiančioje kalno plokštėje. Kai kuriais atvejais (pavyzdžiui, Kalifornijos šiaurėje) subdukcinė dalis gali visiškai subyrėti ir nugrimzti gilyn į Žemę, nes virš jos esančios plokštės keičia savo orientaciją. Net ir dideliame gylyje subdukcinė litosfera gali būti trapi milijonus metų, jei ji yra gana vėsi.
Žemyninė litosfera gali suskilti, o apatinė dalis griūva ir skęsta. Šis procesas vadinamas sluoksniavimu. Žemyninės litosferos viršutinė dalis visada yra mažiau tanki nei mantijos dalis, kuri, savo ruožtu, yra tankesnė už žemiau esančią astenosferą. Gravitacijos ar traukos jėgos iš astenosferos gali traukti žemės plutos ir mantijos sluoksnius. Deaminacija leidžia karštai mantijai pakilti ir ištirpti po žemynų dalimis, sukeldama platų pakilimą ir vulkanizmą. Tokios vietos kaip Kalifornijos Siera Nevada, Rytų Turkija ir kai kurios Kinijos yra tiriamos stratifikacijos proceso požiūriu.
Litosfera vadinama kietu planetos apvalkalu, kurio pavadinimas kilęs iš graikiško žodžio „lithos“, reiškiančio akmenį. J. Burrellas šį terminą pasiūlė 1916 m. ir iš pradžių jį vartojo kaip žemės plutos sinonimą. Tik po kelerių metų buvo įrodyta, kad Žemės litosferos struktūra yra sudėtingesnė. Tai apima:
- Žemės pluta;
- Mantija (viršutinis sluoksnis).
Pagrindiniai sluoksniai
Žemės pluta yra litosferos sudedamoji dalis, kurios gylis yra 35–70 km po žemynine sausumos dalimi ir 5–15 km po vandenyno dugnu. Jis taip pat susideda iš sluoksnių:
- Žemyninė pluta: nuosėdinė, granitinė, bazalto sluoksnis;
- Okeaninis: jūrinių nuosėdų sluoksnis (kai kuriais atvejais gali visai nebūti), vidurinis bazalto ir serpentino sluoksnis, apatinis gabro sluoksnis.
Beveik visą periodinę lentelę galima rasti žemės plutos sudėtyje, tik skirtingomis proporcijomis. Daugiausia jame yra deguonies, geležies, silicio, aliuminio, natrio, magnio, kalcio ir kalio. Žemės pluta sudaro apie 1% visos planetos masės.
Mantija yra apatinė litosferos dalis, kurios gylis siekia 2900 km. Jį daugiausia sudaro silicis, deguonis, geležis, magnis, nikelis. Jo viduje išskiriamas specialus sluoksnis – astenosfera, sukurta iš specialios medžiagos. Į kieto žemės apvalkalo sudėtį įeina ta mantijos dalis, kuri yra prieš astenosferą. Tai yra apatinė apvalkalo riba, o viršutinė yra šalia atmosferos ir hidrosferos, su kuriomis sąveikauja litosfera, iš dalies prasiskverbdama į jas.
Klaidinga šerdį priskirti litosferai, atskiram Žemės rutulio sluoksniui, kuris yra 2900–6371 km gylyje ir susideda iš raudonai įkaitusios geležies ir nikelio.
Korpuso savybės
Remiantis Žemės litosferos sandara, galima teigti, kad tai gana trapus apvalkalas, nes jis nėra monolitinis. Dėl gilių lūžių jis suskaidomas į atskirus blokus (arba plokštes), kurie labai lėtai juda horizontalia kryptimi išilgai astenosferos. Todėl skiriamos gana stabilios platformos ir mobilios zonos (sulankstomi diržai).
Žemės litosferos struktūra šiandien yra planetos paviršiaus padalijimas į septynias dideles ir keletą mažų plokščių. Ribas tarp jų žymi didžiausio vulkaninio ir seisminio aktyvumo zonos. Šie litosferos elementai yra 1000–10 000 km skersmens.
izostazė
Atskirai norėčiau pakalbėti apie izostazę – reiškinį, kurį mokslininkai atrado tyrinėdami kalnų grandines ir gravitaciją jų papėdėje (kalnai susidaro litosferos plokščių sandūroje). Anksčiau buvo manoma, kad dideli reljefo nelygumai padidina traukos jėgą regione. Tačiau paaiškėjo, kad gravitacijos jėga yra vienoda visame žemės paviršiuje. Masyvios struktūros subalansuotos kažkur Žemės gelmėse, viršutinėje mantijoje: kuo didesnis kalnas, tuo giliau jis paniręs į litosferą. Kurį laiką žemės pluta, veikiama tektoninių jėgų, gali būti išbalansuota, bet paskui vis tiek į ją grįžta.
Litosferos sandara
Žemės litosfera susideda iš dviejų sluoksnių: žemės plutos ir dalies viršutinės mantijos. Siena tarp jų yra vadinamoji. Mohorovičiaus riba, išskiriama pagal padidėjusį išilginių seisminių bangų sklidimo greitį ir medžiagos tankį.
Žemės pluta yra atokiausias kietas žemės apvalkalas. Pluta nėra unikalus darinys, būdingas tik Žemei, nes. randamas daugumoje antžeminių planetų, Žemės palydovas – Mėnulis ir milžiniškų planetų palydovai: Jupiteris, Saturnas, Uranas ir Neptūnas. Tačiau tik Žemėje yra dviejų tipų pluta: okeaninė ir žemyninė. Pasienio regionuose išsivysto tarpinio tipo žemės pluta - subkontinentinė arba subokeaninė, kuri susidaro, pavyzdžiui, salų lankų zonose. Vidurio vandenyno kalnagūbrių zonose galima išskirti plyšinio tipo plutą, nes šiose zonose nėra gabro-serpentinito sluoksnio ir artimos astenosferos padėties.
Vandenyno pluta susideda iš trijų sluoksnių: viršutinio nuosėdinio, tarpinio bazalto ir apatinio gabbro-serpentinito, kuris iki šiol buvo įtrauktas į bazalto sluoksnį.
Jo storis svyruoja nuo 2 km vidurio vandenyno kalnagūbrių zonose iki 130 km subdukcijos zonose, kur vandenyno pluta grimzta į mantiją. Šį skirtumą lemia tai, kad vandenyno vidurio kalnagūbrių zonose susidaro vandenyno pluta, jai tolstant nuo kalnagūbrių, jos storis didėja, retai viršija 7 km vertę, maksimumą pasiekia panardinimo zonose. pluta į viršutinę mantiją. Daugiausia subdukcijos zonų yra Ramiajame vandenyne; su jais siejami galingi jūros drebėjimai.
Lydą dengiantis nuosėdinis sluoksnis nedidelis: jo storis retai viršija 0,5 km, 10-12 km storį pasiekia tik prie didelių upių deltų. Nuosėdinį sluoksnį sudaro smėlis, gyvūnų liekanų nuosėdos ir nusodinti mineralai. Jo pagrinde dažnai susidaro plonos metalo nuosėdos, kurios nėra vienodos smūgio metu ir kuriose vyrauja geležies oksidai. Apatinė sluoksnio dalis susideda iš karbonatinių uolienų, kurių nėra dideliame gylyje, nes esant dideliam slėgiui ištirpsta karbonatines uolienas sudarančių foraminiferių ir kokolitoforidų kiautai. Daugiau nei 4,5 km gylyje karbonatines uolienas pakeičia raudonieji giliavandeniai moliai ir silicio dumblai.
Viršutinėje dalyje esantį bazalto sluoksnį sudaro toleitinės bazaltinės lavos, kurios dėl būdingos formos dar vadinamos pagalvių lavomis. Žemiau yra pylimų kompleksas, sudarytas iš dolerito pylimų. Pylimai – tai kanalai, kuriais į paviršių tekėjo bazaltinė lava. Dėl šios priežasties bazalto sluoksnis yra apnuogintas daugelyje vietų, esančių šalia vandenyno vidurio keterų.
Subdukcijos zonose bazalto sluoksnis virsta ekgolitais, kurie, turėdami didesnį tankį nei aplinkiniai peridotitai (dažniausios mantijos uolienos), nugrimzta į gylį. Ekgolitų masė šiuo metu sudaro apie 7% visos Žemės mantijos masės.
Gabrio-serpentinito sluoksnis yra tiesiai virš viršutinės mantijos. Į jo sudėtį įeina gabroidai ir serpentinizuotas peridotitas, kurie susidaro atitinkamai lėtos bazalto lydalo kristalizacijos metu magmos kameroje ir hidratuojant pagrindines mantijos uolienas išilgai litosferos plyšių. Sluoksnio storis 3-6 km; jį galima atsekti visuose vandenynuose. Išilginių seisminių bangų greičiai sluoksnyje yra 6,5-7 km/sek.
Vidutinis vandenyno plutos amžius yra 100 milijonų metų. Seniausios vandenyno plutos dalys yra 156 milijonų metų senumo (vėlyvoji juros periodas) ir yra Ramiojo vandenyno Pijafetos įduboje.
Toks jaunas amžius paaiškinamas nuolatiniu okeaninės plutos susidarymu ir įsisavinimu. Kasmet vandenyno vidurio kalnagūbrių plyšių zonose, atsiskyrus po jais bazaltinei lavai ir jai išsiliejus į vandenyno dugno paviršių, susidaro 24 km 3 magminių uolienų, sveriančių 70 milijardų tonų. Jei atsižvelgsime į tai, kad bendra vandenyno plutos masė, remiantis skaičiavimais, yra 5,9 × 10 18 tonų, tada paaiškėja, kad visa vandenyno pluta atnaujinama per 100 milijonų metų, o tai yra vidutinis jos amžius. Okeaninės žemės plutos storis laikui bėgant praktiškai nekinta, nes ji susiformuoja iš išsiskiriančio lydalo.
Okeaninė pluta yra susitelkusi ne tik Pasaulio vandenyno dugne. Nedidelės senovinės jo atkarpos žinomos uždaruose baseinuose, kurių pavyzdys yra šiaurinis Kaspijos jūros baseinas. Bendras okeaninės žemės plutos plotas yra 306 milijonai km2.
Žemyninė pluta, kaip rodo pavadinimas, yra po Žemės žemynais ir didelėmis salomis. Skirtingai nuo vandenyno, žemyninė pluta susideda iš trijų sluoksnių: viršutinio nuosėdinio, vidurinio granito ir apatinio bazalto. Šio tipo plutos storis po jaunais kalnais siekia 75 km, po lyguma – nuo 35 iki 45 km, po salų lankais – iki 20–25 km.
Žemyninės plutos nuosėdinį sluoksnį sudaro: molio nuosėdos ir seklių jūros baseinų karbonatai proterozojaus platformose; šiurkščiavilnių fasijų, prieš srovę pakeistų smėlingomis-argilinėmis nuogulomis ir pakrančių fasijų karbonatais priekyje ir pasyviuose Atlanto tipo žemynų pakraščiuose.
Žemės plutos granitinis sluoksnis susidaro dėl magmos invazijos į žemės plutos plyšius. Susideda iš silicio dioksido, aliuminio ir kitų mineralų. Granito sluoksnio storis siekia 25 km. Išilginių seisminių bangų greitis yra nuo 5,5 iki 6,3 km/sek. Sluoksnis labai senas: jo vidutinis amžius – apie 3 milijardus metų.
15-20 km gylyje dažnai atsekama Konrado riba, palei kurią išilginių seisminių bangų sklidimo greitis padidėja 0,5 km/sek. Riba skiria granito ir bazalto sluoksnius.
Bazalto sluoksnis susidaro išsiliejus bazinei (bazalto) lavai ant žemės paviršiaus plokštuminio magmatizmo zonose. Bazaltas yra sunkesnis už granitą ir jame yra daugiau geležies, magnio ir kalcio. Išilginių seisminių bangų greitis sluoksnyje yra nuo 6,5 iki 7,3 km/sek.
Riba tarp granito ir bazalto sluoksnių daug kur eina išilgai vadinamojo. Konrado paviršius, kuriame išilginių seisminių bangų greitis staigiai padidėja nuo 6 iki 6,5 km/sek. Kitose vietose išilginių seisminių bangų greitis didėja palaipsniui, o riba tarp sluoksnių yra neryški. Ir, galiausiai, yra sričių, kuriose vienu metu stebimi keli paviršiai, kuriuose didėja seisminės bangos.
Apskaičiuota, kad bendra žemės plutos masė yra 2,8 × 10 19 tonų, o tai sudaro tik 0,473% visos Žemės planetos masės.
Iš apačios žemės plutą nuo viršutinės mantijos skiria Mohorovic arba Moho riba, kurią 1909 metais nustatė kroatų geofizikas ir seismologas Andrejus Mohorovičius. Ties riba smarkiai padidėja išilginių ir skersinių seisminių bangų greičiai. Taip pat didėja medžiagos tankis. Moho riba gali nesutapti su žemės plutos ribomis, matyt, atskiriant skirtingos cheminės sudėties sritis: šviesią rūgštinę plutą ir tankią ultrabazinę mantiją.
Sluoksnis po žemės pluta vadinamas mantija. Mantija Golicino sluoksnio dalijama į viršutinį ir apatinį, tarp kurių riba eina apie 670 km gylyje.
Viršutinėje mantijoje išsiskiria astenosfera - lamelinis sluoksnis, kuriame seisminių bangų greičiai mažėja.
Litosfera vadinama viršutiniu kietu Žemės apvalkalu, susidedančiu iš žemės plutos ir viršutinės mantijos sluoksnio, esančio po žemės pluta. Apatinė litosferos riba nubrėžta maždaug 100 km gylyje po žemynais ir apie 50 km po vandenyno dugnu. Viršutinė litosferos dalis (tos, kurioje egzistuoja gyvybė) yra neatskiriama biosferos dalis.
Žemės pluta sudaryta iš magminių ir nuosėdinių uolienų, taip pat iš abiejų susidariusių metamorfinių uolienų.
Uolos yra natūralūs tam tikros sudėties ir struktūros mineraliniai agregatai, susidarę dėl geologinių procesų ir esantys žemės plutoje nepriklausomų kūnų pavidalu. Uolienų sudėtį, struktūrą ir atsiradimo sąlygas lemia jas formuojančių geologinių procesų ypatumai, vykstantys tam tikroje aplinkoje žemės plutos viduje arba žemės paviršiuje. Atsižvelgiant į pagrindinių geologinių procesų pobūdį, išskiriamos trys genetinės uolienų klasės: nuosėdinės, magminės ir metamorfinės.
Magminis uolienos yra natūralūs mineraliniai agregatai, atsirandantys kristalizuojantis magmoms (silikatinėms, o kartais ir nesilikatinėms lydaloms) Žemės žarnose arba jos paviršiuje. Magminės uolienos pagal silicio dioksido kiekį skirstomos į rūgštines (SiO 2 - 70-90%), vidutines (SiO 2> apie 60%), bazines. ( SiO 2 apie 50 %) ir ultrabazinis (SiO 2 mažiau nei 40 %). Magminių uolienų pavyzdžiai yra vulkaninė bazinė uoliena ir granitas.
Nuosėdinės uolienos yra tos uolienos, kurios egzistuoja termodinaminėmis sąlygomis, būdingomis paviršinei žemės plutos daliai, ir susidaro dėl atmosferos produktų persodinimo ir įvairių uolienų naikinimo, cheminių ir mechaninių kritulių iš vandens, gyvybinės organizmų veiklos. , arba visus tris procesus vienu metu. Daugelis nuosėdinių uolienų yra svarbiausi mineralai. Nuosėdinių uolienų pavyzdžiai yra smiltainiai, kurie gali būti laikomi kvarco sankaupomis, taigi ir silicio dioksido (SiO 2) koncentratoriais, o kalkakmeniai – CaO koncentratoriais. Mineralai, labiausiai paplitusios nuosėdinės uolienos, yra kvarcas (SiO 2), ortoklazas (KalSi 3 O 8), kaolinitas (A1 4 Si 4 O 10 (OH) 8), kalcitas (CaCO 3), dolomitas CaMg (CO 3) 2, ir tt .
Metamorfinis vadinamos uolienomis, kurių pagrindiniai bruožai (mineralinė sudėtis, struktūra, tekstūra) atsiranda dėl metamorfizmo procesų, o pirminės magminės kilmės požymiai iš dalies arba visiškai prarandami. Metamorfinės uolienos yra skalūnai, granulitai, eklogitai ir kt. Tipiški mineralai joms yra atitinkamai žėrutis, lauko špatas ir granatas.
Žemės plutos medžiaga daugiausia sudaryta iš lengvųjų elementų (įskaitant Fe), o periodinėje lentelėje po geležies sekantys elementai sudaro tik procentines dalis. Taip pat pažymima, kad ženkliai vyrauja tolygios atominės masės elementai: jie sudaro 86% visos žemės plutos masės. Reikėtų pažymėti, kad meteorituose šis nuokrypis yra dar didesnis ir siekia 92% metalo meteorituose ir 98% akmeniniuose.
Įvairių autorių teigimu, vidutinė žemės plutos cheminė sudėtis pateikta lentelėje. 25:
25 lentelė
Žemės plutos cheminė sudėtis, wt. % (Gusakova, 2004)
| Elementai ir oksidai | Klarkas, 1924 m | Fugtas, 1931 m | Goldschmidtas, 1954 m | Poldervaatr, 1955 m | Jaroševskis, 1971 m |
| SiO2 | 59,12 | 64,88 | 59,19 | 55,20 | 57,60 |
| TiO2 | 1,05 | 0,57 | 0,79 | 1,6 | 0,84 |
| Al2O3 | 15,34 | 15,56 | 15,82 | 15,30 | 15,30 |
| Fe2O3 | 3,08 | 2,15 | 6,99 | 2,80 | 2,53 |
| FeO | 3,80 | 2,48 | 6,99 | 5,80 | 4,27 |
| MNO | 0,12 | - | - | 0,20 | 0,16 |
| MgO | 3,49 | 2,45 | 3,30 | 5,20 | 3,88 |
| CaO | 5,08 | 4,31 | 3,07 | 8,80 | 6,99 |
| Na2O | 3,84 | 3,47 | 2,05 | 2,90 | 2,88 |
| K2O | 3,13 | 3,65 | 3,93 | 1,90 | 2,34 |
| P2O5 | 0,30 | 0,17 | 0,22 | 0,30 | 0,22 |
| H2O | 1,15 | - | 3,02 | - | 1,37 |
| CO2 | 0,10 | - | - | - | 1,40 |
| S | 0,05 | - | - | - | 0,04 |
| Cl | - | - | - | - | 0,05 |
| C | - | - | - | - | 0,14 |
Jo analizė leidžia padaryti šias svarbias išvadas:
1) Žemės pluta daugiausia susideda iš aštuonių elementų: O, Si, A1, Fe, Ca, Mg, Na, K; 2) likę 84 elementai sudaro mažiau nei vieną procentą plutos masės; 3) tarp gausiausių elementų ypatingas vaidmuo žemės plutoje tenka deguoniui.
Ypatingas deguonies vaidmuo yra tas, kad jo atomai sudaro 47% plutos masės ir beveik 90% svarbiausių uolienų formavimo mineralų tūrio.
Yra keletas geocheminių elementų klasifikacijų. Šiuo metu vis labiau įsigali geocheminė klasifikacija, pagal kurią visi žemės plutos elementai skirstomi į penkias grupes (26 lentelė).
26 lentelė
Geocheminės elementų klasifikacijos variantas (Gusakova, 2004)
Litofilinis - Tai roko elementai. Išoriniame jų jonų apvalkale yra 2 arba 8 elektronai. Litofilinius elementus sunku redukuoti iki elementinės būsenos. Paprastai jie yra susiję su deguonimi ir sudaro didžiąją dalį silikatų ir aliumosilikatų. Jie taip pat randami sulfatų, fosfatų, boratų, karbonatų ir hadogenidų pavidalu.
Chalkofilinis elementai yra sulfidinių rūdų elementai. Jų jonų išoriniame apvalkale yra 8 (S, Se, Te) arba 18 (likusieji) elektronų. Gamtoje jie pasitaiko sulfidų, selenidų, telūridų pavidalu, taip pat natūralioje būsenoje (Cu, Hg, Ag, Pb, Zn, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Sn).
siderofilinis elementai yra elementai su užpildytais elektroniniais d ir f apvalkalais. Jie rodo specifinį afinitetą arsenui ir sierai (PtAs 2, FeAs 2, NiAs 2 , FeS , NiS , MoS 2 ir kt.), taip pat į fosforą, anglį, azotą. Beveik visi siderofiliniai elementai randami ir gimtojoje valstybėje.
Atmofiliškas elementai yra atmosferos elementai. Dauguma jų turi atomus su užpildytais elektronų apvalkalais (inertinėmis dujomis). Atmofiliniams taip pat priklauso azotas ir vandenilis. Dėl didelio jonizacijos potencialo atmofiliniai elementai sunkiai susijungia su kitais elementais, todėl gamtoje (išskyrus H) daugiausia yra elementinės (gimtosios) būsenos.
Biofilinis elementai yra elementai, sudarantys organinius biosferos komponentus (C, H, N, O, P, S). Iš šių (dažniausiai) ir kitų elementų susidaro sudėtingos angliavandenių, baltymų, riebalų ir nukleorūgščių molekulės. Vidutinė baltymų, riebalų ir angliavandenių cheminė sudėtis pateikta lentelėje. 27.
27 lentelė
Vidutinė baltymų, riebalų ir angliavandenių cheminė sudėtis, sv. % (Gusakova, 2004)
Šiuo metu įvairiuose organizmuose rasta daugiau nei 60 elementų. Elementai ir jų junginiai, kurių organizmams reikia palyginti dideliais kiekiais, dažnai vadinami makrobiogeniniais elementais. Elementai ir jų junginiai, kurie, nors ir būtini biosistemų gyvavimui, reikalingi itin mažais kiekiais, vadinami mikrobiogeniniais elementais. Pavyzdžiui, augalams svarbūs 10 mikroelementų: Fe, Mn, Cu, Zn, B, Si, Mo, C1, W, Co. .
Visų šių elementų, išskyrus borą, reikia ir gyvūnams. Be to, gyvūnams gali prireikti seleno, chromo, nikelio, fluoro, jodo, alavo. Tarp makro- ir mikroelementų neįmanoma nubrėžti aiškios ir identiškos ribos visoms organizmų grupėms.
atmosferos procesai
Žemės plutos paviršių veikia atmosfera, todėl ji yra jautri fiziniams ir cheminiams procesams. fizinis oro poveikis yra mechaninis procesas, kurio metu uoliena susmulkinama iki smulkesnių dalelių be reikšmingų cheminės sudėties pokyčių. Kai stabdantis plutos slėgis pašalinamas dėl pakilimo ir erozijos, taip pat pašalinami vidiniai įtempiai, esantys požeminėse uolienose, todėl atsiveria platėjantys įtrūkimai. Tada šie įtrūkimai gali išsiskirti dėl šiluminio plėtimosi (dėl paros temperatūros svyravimų), vandens plėtimosi užšalimo proceso metu ir augalų šaknų veikimo. Kiti fiziniai procesai, tokie kaip ledynų aktyvumas, nuošliaužos ir smėlio dilimas, toliau silpnina ir ardo kietąsias uolienas. Šie procesai yra svarbūs, nes jie labai padidina uolienų paviršiaus plotą, veikiamą cheminių atmosferos veiksnių, tokių kaip oras ir vanduo.
cheminis atmosferos poveikis sukelia vanduo – ypač rūgštus vanduo – ir dujos, pavyzdžiui, deguonis, skaidančios mineralus. Kai kurie pirminio mineralo jonai ir junginiai pašalinami tirpalui prasiskverbiant per mineralų fragmentus ir maitinant gruntinį vandenį bei upes. Smulkiagrūdės kietosios medžiagos gali būti išplaunamos iš atmosferos paveiktos vietos, paliekant chemiškai pakitusius likučius, kurie sudaro dirvožemio pagrindą. Yra žinomi įvairūs cheminio atmosferos poveikio mechanizmai:
1. Ištirpimas. Paprasčiausia atmosferos reakcija yra mineralų ištirpimas. Vandens molekulė veiksmingai suardo joninius ryšius, pvz., tuos, kurie jungia natrio (Na +) ir chloro (Cl -) jonus halite (akmens druskoje). Halito tirpimą galime išreikšti supaprastintai, t.y.
NaCl (tv) Na + (aq) + Cl - (aq)
2. Oksidacija. Laisvasis deguonis vaidina svarbų vaidmenį skaidant redukuotos formos medžiagas. Pavyzdžiui, oksiduojant redukuotą geležį (Fe 2+) ir sierą (S) bendrame sulfide, pirite (FeS 2), susidaro stipri sieros rūgštis (H 2 SO 4):
2FeS 2 (tv) + 7,5 O 2 (g) + 7H 2 O (l) 2Fe (OH) 3 (tv) + H 2 SO 4 (vandens).
Sulfidai dažnai randami dumblinėse-glotniose uolienose, rūdos gyslose ir anglies telkiniuose. Vystantis rūdos ir anglies telkiniams, atliekose lieka sulfidų, kurie kaupiasi sąvartynuose. Tokie atliekų uolienų krūvos turi didelius atmosferos paviršius, kuriuose sulfidų oksidacija vyksta greitai ir dideliu mastu. Be to, apleistas rūdos gamyklas greitai užlieja požeminis vanduo. Dėl sieros rūgšties susidarymo drenažo vanduo iš apleistų kasyklų tampa labai rūgštus (pH iki 1 arba 2). Šis rūgštingumas gali padidinti aliuminio tirpumą ir sukelti toksiškumą vandens ekosistemoms. Mikroorganizmai dalyvauja oksiduojant sulfidus, kuriuos galima modeliuoti pagal daugybę reakcijų:
2FeS 2 (tv) + 7O 2 (g) + 2H 2 O (l) 2Fe 2+ + 4H + (aq) + 4SO 4 2- (aq) (pirito oksidacija), po to geležis oksiduojama iki:
2Fe 2+ + O 2 (g) + 10H 2 O (l) 4Fe (OH) 3 (kietas) + 8H + (vandeninis)
Oksidacija - vyksta labai lėtai, esant žemoms pH vertėms rūgštiniuose kasyklų vandenyse. Tačiau žemiau pH 4,5 geležies oksidaciją katalizuoja Thiobacillus ferrooxidans ir Leptospirillum. Geležies oksidas gali toliau sąveikauti su piritu:
FeS 2 (tv) + 14 Fe 3+ (vandens) + 8H 2 O (l) 15 Fe 2+ (aq) + 2SO 4 2- (vandens) + 16H + (vandens)
Kai pH vertė yra daug didesnė nei 3, geležis (III) nusėda kaip įprastas geležies (III) oksidas, goetitas (FeOOH):
Fe 3+ (vandens) + 2H 2O (g) FeOOH + 3H + (vandens)
Nusodintas goetitas dengia upelių dugną ir plytų mūrą būdingos geltonai oranžinės dangos pavidalu.
Sumažinti geležies silikatai, tokie kaip kai kurie olivinai, piroksenai ir amfibolai, taip pat gali oksiduotis:
Fe 2 SiO 4 (tv) + 1 / 2O 2 (g) + 5H 2 O (l) 2Fe (OH) 3 (tv) + H 4 SiO 4 (vandens)
Produktai yra silicio rūgštis (H 4 SiO 4) ir koloidinis geležies hidroksidas, silpna bazė, kurią dehidratuojant susidaro daug geležies oksidų, pavyzdžiui, Fe 2 O 3 (hematitas - tamsiai raudonas), FeOOH (goetitas ir lepidokrocitas - geltona arba geltona).rūdys). Dažnas šių geležies oksidų atsiradimas rodo jų netirpumą oksiduojančiomis žemės paviršiaus sąlygomis.
Vandens buvimas pagreitina oksidacines reakcijas, tai rodo kasdien stebimas metalinės geležies (rūdžių) oksidacijos reiškinys. Vanduo veikia kaip katalizatorius, oksidacijos potencialas priklauso nuo deguonies dujų dalinio slėgio ir tirpalo rūgštingumo. Esant pH 7, vandens, besiliečiančio su oru, Eh lygis yra 810 mV, o tai yra daug didesnis oksidacinis potencialas, nei reikalingas juodosios geležies oksidacijai.
Organinių medžiagų oksidacija. Dirvožemyje redukuotų organinių medžiagų oksidaciją katalizuoja mikroorganizmai. Bakterijų sukeltas negyvų organinių medžiagų oksidavimas iki CO 2 yra svarbus rūgščių susidarymui. Biologiškai aktyviuose dirvožemiuose CO 2 koncentracija gali būti 10-100 kartų didesnė nei tikimasi esant pusiausvyrai su atmosferos CO 2, todėl jos disociacijos metu susidaro anglies rūgštis (H 2 CO 3) ir H +. Siekiant supaprastinti lygtis, organinė medžiaga pavaizduota apibendrinta angliavandenių CH 2 O formule:
CH 2 O (tv) + O 2 (g) CO 2 (g) + H 2 O (l)
CO 2 (g) + H 2 O (g) H 2 CO 3 (vandens)
H 2 CO 3 (vandens) H + (aq) + HCO 3 - (vandens)
Dėl šių reakcijų dirvožemio vandens pH gali sumažėti nuo 5,6 (vertė, kuri nustatoma esant pusiausvyrai su atmosferos CO 2 ) iki 4–5. Tai yra supaprastinimas, nes dirvožemio organinės medžiagos (humusas) ne visada visiškai suyra iki CO 2 . Tačiau dalinio skilimo produktai turi karboksilo (COOH) ir fenolio grupes, kurios disociacijos metu sudaro H + jonus:
RCOOH (aq) RCOO - (aq) + H + (vandens)
kur R reiškia didelį organinį struktūrinį vienetą. Rūgštingumas, susikaupęs skaidant organines medžiagas, panaudojamas naikinant daugumą silikatų rūgšties hidrolizės procese.
3. Rūgštinė hidrolizė. Natūraliuose vandenyse yra tirpių medžiagų, kurios suteikia jiems rūgštingumą - tai atmosferos CO 2 disociacija lietaus vandenyje ir dalinis dirvožemio CO 2 disociacija susidarant H 2 CO 3, natūralaus ir antropogeninio sieros dioksido (SO 2) disociacija. susidarant H 2 SO 3 ir H 2 SO 4 . Reakcija tarp mineralų ir rūgščių atmosferą veikiančių medžiagų paprastai vadinama rūgštine hidrolize. CaCO 3 atmosferos poveikis rodo tokią reakciją:
CaCO 3 (tv) + H 2 CO 3 (aq) Ca 2+ (aq) + 2HCO 3 - (aq)
Paprasto silikato, tokio kaip magnio turtingas olivinas, forsteritas, rūgštinė hidrolizė gali būti apibendrinta taip:
Mg 2 SiO 4 (tv) + 4H 2 CO 3 (vandens) 2Mg 2+ (vandens) + 4HCO 3 - (vandens) + H 4 SiO 4 (vandens)
Atkreipkite dėmesį, kad H 2 CO 3 disociacijos metu susidaro jonizuotas HCO 3 - , šiek tiek stipresnė rūgštis nei neutrali molekulė (H 4 SiO 4 ), susidariusi skaidant silikatą.
4. Kompleksinių silikatų atsparumas oro sąlygoms. Iki šiol mes svarstėme monomerinių silikatų (pvz., olivino) atmosferą, kurie visiškai ištirpsta (kongruentinis tirpimas). Tai supaprastina chemines reakcijas. Tačiau atlaikytų mineralinių liekanų buvimas rodo, kad nepilnas ištirpimas yra dažnesnis. Supaprastinta atmosferos reakcija, kaip pavyzdį naudojant kalcio turintį anortitą:
CaAl 2 Si 2 O 8 (tv) + 2H 2 CO 3 (aq) + H 2 O (l) Ca 2+ (aq) + 2HCO 3 - (aq) + Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 (tv )
Kietas reakcijos produktas yra kaolinitas Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4, svarbus molio mineralų atstovas.