Zemes akmens apvalks - zemes garoza - ir stingri piestiprināts pie augšējās mantijas un veido ar to vienotu veselumu -. Zemes garozas un litosfēras izpēte ļauj zinātniekiem izskaidrot procesus, kas notiek uz Zemes virsmas, un prognozēt izmaiņas mūsu planētas izskatā nākotnē.
Zemes garozas uzbūve
Zemes garozai, kas sastāv no magmatiskiem, metamorfiem un nogulumiežiem, uz okeāniem un zem tiem ir atšķirīgs biezums un struktūra.
Kontinentālajā garozā ir ierasts atšķirt trīs slāņus. Augšējais ir nogulumieži, kurā dominē nogulumieži. Divus apakšējos slāņus nosacīti sauc par granītu un bazaltu. Granīta slānis sastāv galvenokārt no granīta un metamorfā bazalta slāņa - no blīvākiem iežiem, kas pēc blīvuma salīdzināmi ar bazaltiem. Okeāna garoza ir divslāņu. Tajā augšējais slānis - nogulumiežu slānis - ir ar nelielu biezumu, apakšējais slānis - bazalts - sastāv no bazalta iežiem, un tajā nav granīta slāņa.
Kontinentālās garozas biezums zem ir 30 50 kilometri, zem kalniem - līdz 75 kilometriem. Okeāna garoza ir daudz plānāka, tās biezums ir no 5 līdz 10 kilometriem.
Garoza ir uz citām sauszemes planētām, uz Mēness un uz daudziem milzu planētu satelītiem. Bet tikai Zemei ir divu veidu garoza: kontinentālā un okeāniskā. Uz citām planētām vairumā gadījumu tas sastāv no bazaltiem.
Litosfēra
Zemes akmens apvalku, ieskaitot mantijas augšējo daļu, sauc par litosfēru. Zem tā ir apsildāms mantijas plastmasas slānis. Šķiet, ka litosfēra peld uz šī slāņa. Litosfēras biezums dažādos Zemes reģionos svārstās no 20 līdz 200 kilometriem vai vairāk. Kopumā zem kontinentiem tas ir biezāks nekā zem okeāniem.
Zinātnieki ir noskaidrojuši, ka litosfēra nav monolīta, bet gan sastāv no. Tos vienu no otra atdala dziļas vainas. Ir septiņas ļoti lielas un vairākas mazākas litosfēras plāksnes, kas pastāvīgi, bet lēnām pārvietojas pa apvalka plastmasas slāni. To vidējais kustības ātrums ir aptuveni 5 centimetri gadā. Dažas plāksnes ir pilnībā okeāniskas, taču lielākajai daļai ir dažāda veida garoza.
Litosfēras plāksnes pārvietojas viena pret otru dažādos virzienos: vai nu attālinās, vai, gluži pretēji, tuvojas un saduras. Kā daļa no litosfēras plāksnēm pārvietojas arī to augšējais "stāvs" - zemes garoza. Litosfēras plākšņu kustības dēļ mainās atrašanās vieta uz Zemes virsmas. Kontinenti vai nu saduras viens ar otru, vai attālinās viens no otra tūkstošiem kilometru.
Litosfēra ir trauslais, ārējais, cietais Zemes slānis. Tektoniskās plāksnes ir litosfēras segmenti. Tās virsotne ir labi saskatāma – tā atrodas uz Zemes virsmas, bet litosfēras pamatne atrodas pārejas slānī starp zemes garozu un ir aktīvas izpētes joma.
Litosfēras fleksija
Litosfēra nav pilnīgi stingra, bet tai ir neliela elastība. Tas izliecas, kad uz to iedarbojas papildu slodze, vai otrādi, tas izliecas, ja slodzes pakāpe vājina. Ledāji ir viens no slodzes veidiem. Piemēram, Antarktīdā bieza ledus cepure ir stipri nolaidusi litosfēru līdz jūras līmenim. Savukārt Kanādā un Skandināvijā, kur ledāji izkusa pirms aptuveni 10 000 gadu, litosfēra nav īpaši ietekmēta.
Šeit ir daži citi litosfēras slodzes veidi:
- Vulkāna izvirdums;
- Nogulumu nogulsnēšanās;
- Jūras līmeņa paaugstināšanās;
- Lielu ezeru un ūdenskrātuvju veidošanās.
Piemēri ietekmes samazināšanai uz litosfēru:
- Kalnu erozija;
- Kanjonu un ieleju veidošanās;
- Lielu rezervuāru žāvēšana;
- Jūras līmeņa pazemināšanās.
Litosfēras izliekums iepriekš minēto iemeslu dēļ parasti ir salīdzinoši neliels (parasti daudz mazāks par kilometru, bet mēs to varam izmērīt). Mēs varam modelēt litosfēru ar vienkāršu inženierfiziku un iegūt priekšstatu par tās biezumu. Mēs varam arī izpētīt seismisko viļņu uzvedību un novietot litosfēras pamatni dziļumos, kur šie viļņi sāk palēnināties, norādot uz mīkstāku iežu klātbūtni.
Šie modeļi liecina, ka litosfēras biezums svārstās no mazāk nekā 20 km pie okeāna vidus grēdām līdz aptuveni 50 km vecajos okeāna reģionos. Zem kontinentiem litosfēra ir biezāka - no 100 līdz 350 km.
Tie paši pētījumi liecina, ka zem litosfēras atrodas karstāks un mīkstāks iežu slānis, ko sauc par astenosfēru. Astenosfēras iezis ir viskozs, nav stingrs un spriedzes ietekmē lēnām deformējas, piemēram, tepe. Tāpēc litosfēra plātņu tektonikas ietekmē var pārvietoties pa astenosfēru. Tas nozīmē arī to, ka zemestrīces veido plaisas, kas stiepjas tikai cauri litosfērai, bet ne tālāk.
Litosfēras uzbūve
Litosfērā ietilpst garoza (kontinentu kalni un okeāna dibens) un mantijas augšējā daļa zem zemes garozas. Abi slāņi atšķiras pēc mineraloģijas, bet ir ļoti līdzīgi mehāniski. Lielākoties tie darbojas kā viena plāksne.
Šķiet, ka litosfēra beidzas tur, kur temperatūra sasniedz noteiktu līmeni, kā rezultātā vidējais mantijas iezis (peridotīts) kļūst pārāk mīksts. Taču ir daudz sarežģījumu un pieņēmumu, un var tikai teikt, ka šīs temperatūras svārstās no 600º līdz 1200ºC. Daudz kas ir atkarīgs no spiediena un temperatūras, kā arī no iežu sastāva izmaiņām tektoniskās sajaukšanās rezultātā. Iespējams, nav iespējams precīzi noteikt skaidru litosfēras apakšējo robežu. Pētnieki savos darbos bieži norāda uz litosfēras termiskajām, mehāniskajām vai ķīmiskajām īpašībām.
Okeāna litosfēra ir ļoti plāna izplešanās centros, kur tā veidojas, bet laika gaitā kļūst biezāka. Atdziestot, karstāks iezis no astenosfēras atdziest litosfēras apakšpusē. Apmēram 10 miljonu gadu laikā okeāna litosfēra kļūst blīvāka nekā zem tās esošā astenosfēra. Tāpēc lielākā daļa okeāna plātņu vienmēr ir gatavas subdukcijai.
Litosfēras locīšana un iznīcināšana
Spēki, kas saliek un salauž litosfēru, galvenokārt nāk no plātņu tektonikas. Plātnēm saduroties, litosfēra uz vienas plāksnes iegrimst karstajā apvalkā. Šajā subdukcijas procesā plāksne noliecas par 90 grādiem. Izliekoties un nolaižoties, subduktīvā litosfēra spēcīgi plaisā, izraisot zemestrīces lejupejošā kalna plāksnē. Dažos gadījumos (piemēram, Kalifornijas ziemeļos) subduktīvā daļa var pilnībā sabrukt, dziļi iegrimstot Zemē, jo virs tās esošās plāksnes maina savu orientāciju. Pat lielā dziļumā subduktīvā litosfēra var būt trausla miljoniem gadu, ja tā ir salīdzinoši vēsa.
Kontinentālā litosfēra var sadalīties, bet apakšējā daļa sabrūk un nogrimst. Šo procesu sauc par slāņošanu. Kontinentālās litosfēras augšējā daļa vienmēr ir mazāk blīva nekā mantijas daļa, kas, savukārt, ir blīvāka nekā zemāk esošā astenosfēra. Smaguma vai vilkšanas spēki no astenosfēras var izvilkt zemes garozas un mantijas slāņus. Deaminācija ļauj karstajai mantijai pacelties un izkust zem kontinentu daļām, izraisot plašu pacēlumu un vulkānismu. Tādas vietas kā Kalifornijas Sjerranevada, Turcijas austrumi un Ķīnas daļas tiek pētītas stratifikācijas procesa ziņā.
Litosfēru sauc par cieto planētas apvalku, kuras nosaukums cēlies no grieķu vārda "litoss", kas nozīmē akmens. Šo terminu 1916. gadā ierosināja Dž.Berels, un sākotnēji viņš to izmantoja kā zemes garozas sinonīmu. Tikai dažus gadus vēlāk tika pierādīts, ka Zemes litosfēras struktūra ir sarežģītāka. Tas ietver:
- Zemes garoza;
- Mantija (augšējais slānis).
Pamata slāņi
Zemes garoza ir litosfēras sastāvdaļa, kuras dziļums ir 35-70 km zem kontinentālās zemes daļas un 5-15 km zem okeāna dibena. Tas sastāv arī no slāņiem:
- Kontinentālā garoza: nogulumieži, granīts, bazalta slānis;
- Okeāna: jūras nogulumu slānis (dažos gadījumos var nebūt vispār), vidējais bazalta un serpentīna slānis, apakšējais gabbro slānis.
Gandrīz visa periodiskā tabula atrodama zemes garozas sastāvā, tikai dažādās proporcijās. Visvairāk tas satur skābekli, dzelzi, silīciju, alumīniju, nātriju, magniju, kalciju un kāliju. Zemes garoza veido apmēram 1% no visas planētas kopējās masas.
Mantija ir litosfēras apakšējā daļa, kuras dziļums sasniedz 2900 km. Tas sastāv galvenokārt no silīcija, skābekļa, dzelzs, magnija, niķeļa. Tā iekšpusē tiek izdalīts īpašs slānis - astenosfēra, kas izveidota no īpašas vielas. Zemes cietā apvalka sastāvs ietver to apvalka daļu, kas atrodas pirms astenosfēras. Šī ir čaulas apakšējā robeža, savukārt augšējā atrodas blakus atmosfērai un hidrosfērai, ar kurām mijiedarbojas litosfēra, daļēji iekļūstot tajās.
Ir kļūdaini klasificēt kodolu kā litosfēru, atsevišķu zemeslodes slāni, kas atrodas 2900–6371 km dziļumā un sastāv no sarkanā karstuma dzelzs un niķeļa.
Apvalka īpašības
Pamatojoties uz Zemes litosfēras struktūru, var apgalvot, ka tas ir salīdzinoši trausls apvalks, jo tas nav monolīts. Dziļi lūzumi to sadala atsevišķos blokos (vai plāksnēs), kas ļoti lēni pārvietojas horizontālā virzienā gar astenosfēru. Tāpēc tiek nošķirtas relatīvi stabilas platformas un mobilie reģioni (saliekamās jostas).
Zemes litosfēras uzbūve mūsdienās ir planētas virsmas dalījums septiņās lielās un vairākās mazās plāksnēs. Robežas starp tām iezīmē augstākās vulkāniskās un seismiskās aktivitātes zonas. Šo litosfēras elementu diametrs ir 1000–10 000 km.
izostāze
Atsevišķi es vēlētos pakavēties pie izostāzijas, fenomena, ko zinātnieki atklāja, pētot kalnu grēdas un gravitāciju to pakājē (kalni veidojas litosfēras plākšņu krustpunktā). Iepriekš tika uzskatīts, ka lieli nelīdzenumi reljefā palielina pievilcības spēku reģionā. Taču izrādījās, ka gravitācijas spēks ir vienāds uz visas zemes virsmas. Masīvas struktūras ir līdzsvarotas kaut kur Zemes dzīlēs, augšējā mantijā: jo lielāks kalns, jo dziļāk tas ir iegremdēts litosfērā. Kādu laiku zemes garoza tektonisko spēku ietekmē var būt no līdzsvara, bet pēc tam tā tomēr tajā atgriežas.
Litosfēras uzbūve
Zemes litosfēra sastāv no diviem slāņiem: zemes garozas un daļas no augšējās mantijas. Robeža starp tām ir tā sauktā. Mohoroviča robeža, kas izdalīta, pamatojoties uz garenisko seismisko viļņu izplatīšanās ātruma un vielas blīvuma palielināšanos.
Zemes garoza ir visattālākais cietais zemes apvalks. Garoza nav unikāls veidojums, kas raksturīgs tikai Zemei, jo. ir sastopams uz lielākās daļas sauszemes planētu, Zemes pavadoņa – Mēness un milzu planētu pavadoņiem: Jupitera, Saturna, Urāna un Neptūna. Tomēr tikai uz Zemes ir divu veidu garoza: okeāniskā un kontinentālā. Pierobežas apgabalos veidojas starpposma tipa zemes garoza - subkontinentālā vai subokeāniskā, kas veidojas, piemēram, salu loku zonās. Okeāna vidus grēdu zonās var izdalīt plaisas tipa garozu, jo šajās zonās nav gabro-serpentinīta slāņa un astenosfēras atrodas tuvu.
Okeāna garoza sastāv no trim slāņiem: augšējā nogulumiežu, starpposma bazalta un apakšējā gabro-serpentinīta, kas vēl nesen tika iekļauts bazalta slānī.
Tās biezums svārstās no 2 km okeāna vidus grēdu zonās līdz 130 km subdukcijas zonās, kur okeāna garoza iegrimst mantijā. Šī atšķirība ir saistīta ar to, ka okeāna vidusgrēdu zonās veidojas okeāna garoza, tai attālinoties no grēdām, tās biezums palielinās, reti pārsniedzot 7 km, maksimumu sasniedzot iegremdēšanas zonās. garoza augšējā apvalkā. Lielākais subdukcijas zonu skaits ir Klusajā okeānā; ar tiem saistītas spēcīgas jūrastrīces.
Kausējumu klājošais nogulumu slānis ir mazs: tā biezums reti pārsniedz 0,5 km, 10-12 km biezumu sasniedzot tikai lielu upju deltu tuvumā. Nogulumu slānis sastāv no smiltīm, dzīvnieku atlieku nogulsnēm un nogulsnētiem minerāliem. Tās pamatnē bieži sastopami plāni metāliski nogulumi, kas trieciena laikā nav konsekventi un kuros pārsvarā ir dzelzs oksīdi. Slāņa apakšējo daļu veido karbonātu ieži, kas nav sastopami lielā dziļumā, jo foraminiferu un kokolitoforīdu čaumalas, kas veido karbonātu iežus, izšķīst augstā spiedienā. Dziļumā, kas pārsniedz 4,5 km, karbonātu iežus aizstāj sarkanie dziļjūras māli un silīcija dūņas.
Bazalta slāni augšējā daļā veido toleitiskas bazalta lāvas, kuras to raksturīgās formas dēļ sauc arī par spilvenu lāvām. Zemāk ir dambju komplekss, ko veido dolerīta aizsprosti. Dambi ir kanāli, pa kuriem bazalta lava plūda uz virsmu. Šī iemesla dēļ bazalta slānis ir pakļauts daudzās vietās blakus okeāna vidus grēdām.
Subdukcijas zonās bazalta slānis pārvēršas ekgolītos, kas, blīvāki par apkārtējiem peridotītiem (visbiežāk sastopamajiem mantijas iežiem), iegrimst dziļumā. Ekgolītu masa pašlaik ir aptuveni 7% no visas Zemes mantijas masas.
Gabri-serpentinīta slānis atrodas tieši virs augšējās mantijas. Tās sastāvā ir gabroīdi un serpentinizēts peridotīts, kas veidojas attiecīgi lēnas bazalta kausējuma kristalizācijas laikā magmas kamerā un mantijas pamata iežu hidratācijas laikā gar litosfēras plaisām. Slāņa biezums ir 3-6 km; to var izsekot visos okeānos. Garenisko seismisko viļņu ātrums slānī ir 6,5-7 km/sek.
Okeāna garozas vidējais vecums ir 100 miljoni gadu. Vecākās okeāna garozas daļas ir 156 miljonus gadu vecas (vēlais juras periods) un atrodas Pijafetas ieplakā Klusajā okeānā.
Tik jauns vecums ir izskaidrojams ar pastāvīgu okeāna garozas veidošanos un uzsūkšanos. Katru gadu okeāna vidusgrēdu plaisu zonās, zem tām atdaloties bazalta lavai un izplūstot uz okeāna dibena virsmu, veidojas 24 km 3 magmatisko iežu, kas sver 70 miljardus tonnu. Ja ņem vērā, ka okeāna garozas kopējā masa pēc aprēķiniem ir 5,9 × 10 18 tonnas, tad sanāk, ka visa okeāna garoza atjaunojas 100 miljonos gadu, kas tiek ņemts par tās vidējo vecumu. Okeāna zemes garozas biezums laika gaitā praktiski nemainās, pateicoties tās uzbūvei no izdalītā kausējuma.
Okeāna garoza ir koncentrēta ne tikai Pasaules okeāna gultnē. Nelieli senie tā posmi ir zināmi slēgtos baseinos, kuru piemērs ir Kaspijas jūras ziemeļu baseins. Okeāna zemes garozas kopējā platība ir 306 miljoni km2.
Kontinentālā garoza, kā norāda nosaukums, atrodas zem Zemes kontinentiem un lielām salām. Atšķirībā no okeāna kontinentālā garoza sastāv no trim slāņiem: augšējā nogulumiežu, vidējā granīta un apakšējā bazalta. Šāda veida garozas biezums zem jauniem kalniem sasniedz 75 km, zem līdzenumiem tas ir no 35 līdz 45 km, zem salu lokiem tas ir samazināts līdz 20-25 km.
Kontinentālās garozas nogulumiežu slāni veido: mālu nogulsnes un seklo jūras baseinu karbonāti proterozoja platformās; rupji plastiskās fācijas, kas augštecē aizstātas ar smilšainiem-argillaceiem nogulumiem un piekrastes fāciju karbonātiem priekšdziļumos un Atlantijas tipa kontinentu pasīvajās malās.
Zemes garozas granīta slānis veidojas magmas invāzijas rezultātā zemes garozas plaisās. Sastāv no silīcija dioksīda, alumīnija un citiem minerāliem. Granīta slāņa biezums sasniedz 25 km. Garenisko seismisko viļņu ātrums ir no 5,5 līdz 6,3 km/sek. Slānis ir ļoti sens: tā vidējais vecums ir aptuveni 3 miljardi gadu.
15-20 km dziļumā bieži tiek izsekota Konrāda robeža, pa kuru garenisko seismisko viļņu izplatīšanās ātrums palielinās par 0,5 km/sek. Robeža atdala granīta un bazalta slāņus.
Bazalta slānis veidojas bāzes (bazalta) lavas izliešanas laikā uz zemes virsmas iekšplates magmatisma zonās. Bazalts ir smagāks par granītu un satur vairāk dzelzs, magnija un kalcija. Garenisko seismisko viļņu ātrums slānī ir no 6,5 līdz 7,3 km/sek.
Robeža starp granīta un bazalta slāņiem vairākās vietās iet pa t.s. Konrāda virsma, kurā ir vērojams pēkšņs garenisko seismisko viļņu ātruma pieaugums no 6 līdz 6,5 km/sek. Citās vietās garenisko seismisko viļņu ātrums pakāpeniski palielinās, un robeža starp slāņiem ir neskaidra. Un, visbeidzot, ir apgabali, kur vienlaikus tiek novērotas vairākas virsmas, kuru ietvaros palielinās seismiskie viļņi.
Zemes garozas kopējā masa tiek lēsta 2,8 × 10 19 tonnas, kas ir tikai 0,473% no visas planētas Zeme masas.
No apakšas zemes garozu no augšējās mantijas atdala Mohoroviča jeb Moho robeža, ko 1909. gadā noteica horvātu ģeofiziķis un seismologs Andrejs Mohorovičs. Pie robežas krasi palielinās garenisko un šķērsenisko seismisko viļņu ātrums. Palielinās arī vielas blīvums. Moho robeža var nesakrist ar zemes garozas robežām, acīmredzot atdalot dažāda ķīmiskā sastāva reģionus: vieglas skābās garozas un blīvās ultrabāziskās mantijas.
Slāni zem zemes garozas sauc par mantiju. Mantiju sadala Golicina slānis augšējā un apakšējā, robeža starp kurām iet apmēram 670 km dziļumā.
Augšējās mantijas ietvaros izceļas astenosfēra - slāņains slānis, kura ietvaros seismisko viļņu ātrumi samazinās.
Litosfēru sauc par augšējo cieto Zemes apvalku, kas sastāv no zemes garozas un augšējās mantijas slāņa, kas atrodas zem zemes garozas. Litosfēras apakšējā robeža ir novilkta apmēram 100 km dziļumā zem kontinentiem un aptuveni 50 km dziļumā zem okeāna dibena. Litosfēras augšējā daļa (tā, kurā pastāv dzīvība) ir neatņemama biosfēras sastāvdaļa.
Zemes garozu veido magmatiskie un nogulumieži, kā arī metamorfie ieži, kas veidojušies no abiem.
Ieži ir noteikta sastāva un struktūras dabiski minerālu agregāti, kas veidojas ģeoloģisko procesu rezultātā un rodas zemes garozā neatkarīgu ķermeņu veidā. Iežu sastāvu, struktūru un rašanās apstākļus nosaka tos veidojošo ģeoloģisko procesu īpatnības, kas notiek noteiktā vidē zemes garozā vai uz zemes virsmas. Atkarībā no galveno ģeoloģisko procesu rakstura izšķir trīs iežu ģenētiskās klases: nogulumiežu, magmatisko un metamorfo.
Magnētisks ieži ir dabiski minerālu agregāti, kas rodas magmu (silikātu un dažreiz arī ne-silikātu kausējumu) kristalizācijas laikā Zemes zarnās vai uz tās virsmas. Pēc silīcija dioksīda satura magmatiskos iežus iedala skābajos (SiO 2 - 70-90%), vidējos (SiO 2> apmēram 60%), bāziskajos. ( SiO 2 apmēram 50%) un ultrabāzisko (SiO 2 mazāk nekā 40%). Magmatisko iežu piemēri ir vulkāniskie pamatieži un granīts.
Nogulumieži ieži ir tie ieži, kas eksistē zemes garozas virspusējai daļai raksturīgos termodinamiskos apstākļos un veidojas laikapstākļu produktu pārgulsnēšanās un dažādu iežu iznīcināšanas, ķīmisko un mehānisko nokrišņu no ūdens, organismu dzīvības aktivitātes rezultātā. , vai visus trīs procesus vienlaicīgi. Daudzi nogulumieži ir vissvarīgākie minerāli. Nogulumiežu piemēri ir smilšakmeņi, ko var uzskatīt par kvarca un līdz ar to silīcija dioksīda (SiO 2) koncentratoru uzkrājumiem, un kaļķakmeņi - CaO koncentratori. Minerāli, visizplatītākie nogulumieži, ir kvarcs (SiO 2), ortoklāze (KalSi 3 O 8), kaolinīts (A1 4 Si 4 O 10 (OH) 8), kalcīts (CaCO 3), dolomīts CaMg (CO 3) 2, utt.
Metamorfisks sauc par iežiem, kuru galvenās iezīmes (minerālais sastāvs, struktūra, faktūra) rodas metamorfisma procesu rezultātā, savukārt primārās magmatiskās izcelsmes pazīmes ir daļēji vai pilnībā zudušas. Metamorfie ieži ir slānekļi, granulīti, eklogīti utt. Tipiski tiem minerāli ir attiecīgi vizla, laukšpats un granāts.
Zemes garozas viela sastāv galvenokārt no viegliem elementiem (ieskaitot Fe), un elementi, kas periodiskajā tabulā seko pēc dzelzs, veido tikai procentu daļas. Tāpat tiek atzīmēts, ka būtiski dominē elementi ar vienmērīgu atommasas vērtību: tie veido 86% no kopējās zemes garozas masas. Jāpiebilst, ka meteorītos šī novirze ir vēl lielāka un sastāda 92% metālu meteorītos un 98% akmens meteorītos.
Zemes garozas vidējais ķīmiskais sastāvs, pēc dažādu autoru domām, ir norādīts tabulā. 25:
25. tabula
Zemes garozas ķīmiskais sastāvs, masa % (Gusakova, 2004)
| Elementi un oksīdi | Klārks, 1924. gads | Fugts, 1931. gads | Goldšmits, 1954. gads | Poldervaatr, 1955. gads | Jaroševskis, 1971 |
| 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 |
Tās analīze ļauj izdarīt šādus svarīgus secinājumus:
1) zemes garoza sastāv galvenokārt no astoņiem elementiem: O, Si, A1, Fe, Ca, Mg, Na, K; 2) atlikušie 84 elementi veido mazāk par vienu procentu no garozas masas; 3) starp visizplatītākajiem elementiem īpaša loma zemes garozā ir skābeklim.
Skābekļa īpašā loma ir tā, ka tā atomi veido 47% no garozas masas un gandrīz 90% no svarīgāko iežu veidojošo minerālu tilpuma.
Ir vairākas elementu ģeoķīmiskās klasifikācijas. Šobrīd nostiprinās ģeoķīmiskā klasifikācija, saskaņā ar kuru visi zemes garozas elementi ir sadalīti piecās grupās (26. tabula).
26. tabula
Elementu ģeoķīmiskās klasifikācijas variants (Gusakova, 2004)
Litofīls - Tie ir klinšu elementi. Uz to jonu ārējā apvalka ir 2 vai 8 elektroni. Litofīlos elementus ir grūti reducēt līdz elementāram stāvoklim. Parasti tie ir saistīti ar skābekli un veido lielāko daļu silikātu un aluminosilikātu. Tie ir atrodami arī sulfātu, fosfātu, borātu, karbonātu un hadogenīdu veidā.
Halkofīls elementi ir sulfīdu rūdu elementi. Uz to jonu ārējā apvalka ir 8 (S, Se, Te) vai 18 (pārējiem) elektroni. Dabā tie sastopami sulfīdu, selenīdu, telurīdu formā, kā arī dabiskā stāvoklī (Cu, Hg, Ag, Pb, Zn, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Sn).
siderofils elementi ir elementi ar pabeigtiem elektroniskiem d- un f-apvalkiem. Tiem ir īpaša afinitāte pret arsēnu un sēru (PtAs 2, FeAs 2, NiAs 2 , FeS , NiS , MoS 2 utt.), kā arī uz fosforu, oglekli, slāpekli. Gandrīz visi siderofilie elementi ir sastopami arī dzimtajā stāvoklī.
Atmofils elementi ir atmosfēras elementi. Lielākajai daļai no tiem ir atomi ar piepildītiem elektronu apvalkiem (inertas gāzes). Pie atmofīlajiem pieder arī slāpeklis un ūdeņradis. Pateicoties augstajam jonizācijas potenciālam, atmofīlie elementi gandrīz neveidojas savienojumos ar citiem elementiem, tāpēc dabā (izņemot H) galvenokārt atrodas elementārā (native) stāvoklī.
Biofīls elementi ir elementi, kas veido biosfēras organiskās sastāvdaļas (C, H, N, O, P, S). No šiem (pārsvarā) un citiem elementiem veidojas sarežģītas ogļhidrātu, olbaltumvielu, tauku un nukleīnskābju molekulas. Vidējais olbaltumvielu, tauku un ogļhidrātu ķīmiskais sastāvs ir norādīts tabulā. 27.
27. tabula
Vidējais olbaltumvielu, tauku un ogļhidrātu ķīmiskais sastāvs, masa % (Gusakova, 2004)
Šobrīd dažādos organismos ir atrasti vairāk nekā 60 elementi. Elementus un to savienojumus, kas organismiem nepieciešami salīdzinoši lielos daudzumos, bieži sauc par makrobiogēniem elementiem. Elementus un to savienojumus, kas, lai arī nepieciešami biosistēmu dzīvībai, tomēr nepieciešami ārkārtīgi mazos daudzumos, sauc par mikrobiogēniem elementiem. Augiem ir svarīgi, piemēram, 10 mikroelementi: Fe, Mn, Cu, Zn, B, Si, Mo, C1, W, Co .
Visi šie elementi, izņemot boru, ir nepieciešami arī dzīvniekiem. Turklāt dzīvniekiem var būt nepieciešams selēns, hroms, niķelis, fluors, jods, alva. Starp makro- un mikroelementiem nav iespējams novilkt skaidru un identisku robežu visām organismu grupām.
laikapstākļu procesi
Zemes garozas virsma ir pakļauta atmosfēras iedarbībai, kas padara to uzņēmīgu pret fizikāliem un ķīmiskiem procesiem. fiziski laikapstākļi ir mehānisks process, kura rezultātā iezis tiek sasmalcinātas līdz mazākām daļiņām bez būtiskām ķīmiskā sastāva izmaiņām. Kad garozas ierobežojošais spiediens tiek noņemts ar pacelšanos un eroziju, tiek noņemti arī iekšējie spriegumi pamatā esošajos akmeņos, ļaujot atvērties paplašinātajām plaisām. Šīs plaisas pēc tam var pārvietoties termiskās izplešanās (ko izraisa diennakts temperatūras svārstības), ūdens izplešanās sasalšanas procesā un augu sakņu darbības dēļ. Citi fiziski procesi, piemēram, ledāju aktivitāte, zemes nogruvumi un smilšu noberšanās, vēl vairāk vājina un noārda cietos iežus. Šie procesi ir svarīgi, jo tie ievērojami palielina iežu virsmas laukumu, kas pakļauts ķīmiskiem laikapstākļiem, piemēram, gaisam un ūdenim.
ķīmiskā atmosfēras iedarbība ko izraisa ūdens – īpaši skābs ūdens – un gāzes, piemēram, skābeklis, kas sadala minerālvielas. Daži no sākotnējā minerāla joniem un savienojumiem tiek noņemti, šķīdumam izsūcot caur minerālu fragmentiem un barojot gruntsūdeņus un upes. Smalki graudainas cietās vielas var izskalot no laikapstākļiem pakļautās vietas, atstājot ķīmiski izmainītas atliekas, kas veido augsnes pamatu. Ir zināmi dažādi ķīmiskās atmosfēras iedarbības mehānismi:
1. Izšķīšana. Vienkāršākā laikapstākļu reakcija ir minerālu izšķīšana. Ūdens molekula ir efektīva, lai sarautu jonu saites, piemēram, tās, kas savieno nātrija (Na +) un hlora (Cl -) jonus halītā (akmens sālī). Halīta izšķīšanu varam izteikt vienkāršotā veidā, t.i.
NaCl (tv) Na + (aq) + Cl - (aq)
2. Oksidācija. Brīvajam skābeklim ir liela nozīme vielu sadalīšanā reducētā veidā. Piemēram, reducētā dzelzs (Fe 2+) un sēra (S) oksidēšanās parastajā sulfīdā, pirītā (FeS 2), izraisa stipras sērskābes (H 2 SO 4) veidošanos:
2FeS 2 (tv) + 7,5 O 2 (g) + 7H 2 O (l) 2Fe (OH) 3 (tv) + H 2 SO 4 (ūdens).
Sulfīdi bieži ir atrodami dūņainos-gliaceous iežos, rūdas dzīslās un ogļu atradnēs. Rūdas un ogļu atradņu attīstības laikā atkritumos paliek sulfīds, kas uzkrājas izgāztuvēs. Šādām atkritumiežu kaudzēs ir lielas atmosfēras iedarbībai pakļautas virsmas, kur sulfīdu oksidēšanās notiek ātri un plašā mērogā. Turklāt pamestās rūdas rūpnīcas ātri tiek appludinātas ar gruntsūdeņiem. Sērskābes veidošanās padara drenāžas ūdeni no pamestām raktuvēm ļoti skābu (pH līdz 1 vai 2). Šis skābums var palielināt alumīnija šķīdību un izraisīt toksicitāti ūdens ekosistēmām. Mikroorganismi ir iesaistīti sulfīdu oksidēšanā, ko var modelēt ar vairākām reakcijām:
2FeS 2 (tv) + 7O 2 (g) + 2H 2 O (l) 2Fe 2+ + 4H + (aq) + 4SO 4 2- (aq) (pirīta oksidēšana), kam seko dzelzs oksidēšana līdz:
2Fe 2+ + O 2 (g) + 10H 2 O (l) 4Fe (OH) 3 (cieta) + 8H + (ūdens)
Oksidācija - notiek ļoti lēni pie zemām skābo raktuvju ūdeņu pH vērtībām. Tomēr zem pH 4,5 dzelzs oksidāciju katalizē Thiobacillus ferrooxidans un Leptospirillum. Dzelzs oksīds var vēl vairāk mijiedarboties ar pirītu:
FeS 2 (tv) + 14 Fe 3+ (aq) + 8H 2 O (l) 15 Fe 2+ (aq) + 2SO 4 2- (aq) + 16H + (aq)
Pie pH vērtībām, kas ir daudz augstākas par 3, dzelzs (III) izgulsnējas kā parastais dzelzs (III) oksīds, gētīts (FeOOH):
Fe 3+ (ūdens) + 2H 2O (g) FeOOH + 3H + (ūdens)
Nogulsnējies goetīts pārklāj straumju dibenu un ķieģeļu mūri raksturīgā dzelteni oranžā pārklājuma veidā.
Reducēti dzelzs silikāti, piemēram, daži olivīni, piroksēni un amfiboli, arī var tikt oksidēti:
Fe 2SiO 4 (tv) + 1 / 2O 2 (g) + 5H 2 O (l) 2Fe (OH) 3 (tv) + H 4 SiO 4 (ūdens)
Produkti ir silīcijskābe (H 4 SiO 4) un koloidālais dzelzs hidroksīds, vāja bāze, kas, dehidrējot, rada vairākus dzelzs oksīdus, piemēram, Fe 2 O 3 (hematīts - tumši sarkans), FeOOH (gētīts un lepidokrocīts - dzeltena vai dzeltena). rūsa). Šo dzelzs oksīdu biežā sastopamība norāda uz to nešķīstību zemes virsmas oksidējošajos apstākļos.
Ūdens klātbūtne paātrina oksidatīvās reakcijas, par ko liecina ikdienā novērojamā metāliskā dzelzs oksidēšanās (rūsas) parādība. Ūdens darbojas kā katalizators, oksidācijas potenciāls ir atkarīgs no skābekļa gāzes daļējā spiediena un šķīduma skābuma. Pie pH 7 ūdens saskarē ar gaisu Eh ir aptuveni 810 mV, kas ir daudz lielāks oksidēšanas potenciāls nekā tas, kas nepieciešams melnā dzelzs oksidēšanai.
Organisko vielu oksidēšana. Reducētās organiskās vielas oksidēšanos augsnēs katalizē mikroorganismi. No skābes veidošanās svarīga ir baktēriju izraisīta mirušo organisko vielu oksidēšana līdz CO 2. Bioloģiski aktīvās augsnēs CO 2 koncentrācija var būt 10-100 reižu lielāka, nekā gaidīts līdzsvarā ar atmosfēras CO 2, izraisot ogļskābes (H 2 CO 3) un H + veidošanos tās disociācijas laikā. Lai vienkāršotu vienādojumus, organisko vielu attēlo ar vispārinātu ogļhidrātu CH 2 O formulu:
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 (ūdens)
H 2 CO 3 (aq) H + (aq) + HCO 3 - (aq)
Šīs reakcijas var pazemināt augsnes ūdens pH no 5,6 (vērtība, kas tiek noteikta līdzsvarā ar atmosfēras CO 2 ) līdz 4-5. Tas ir vienkāršojums, jo augsnes organiskā viela (humuss) ne vienmēr pilnībā sadalās līdz CO 2 . Tomēr daļējas iznīcināšanas produktos ir karboksilgrupas (COOH) un fenola grupas, kuras pēc disociācijas rada H + jonus:
RCOOH (aq) RCOO - (aq) + H + (aq)
kur R apzīmē lielu organisko struktūrvienību. Organisko vielu sadalīšanās laikā uzkrātais skābums tiek izmantots lielākās daļas silikātu iznīcināšanai skābes hidrolīzes procesā.
3. Skābes hidrolīze. Dabīgie ūdeņi satur šķīstošas vielas, kas tiem piešķir skābumu - tā ir atmosfēras CO 2 disociācija lietus ūdenī un daļēji augsnes CO 2 disociācija ar H 2 CO 3 veidošanos, dabiskā un antropogēnā sēra dioksīda (SO 2) disociācija. veidojoties H 2 SO 3 un H 2 SO 4 . Reakciju starp minerāliem un skābiem laikapstākļiem parasti sauc par skābju hidrolīzi. CaCO 3 atmosfēras iedarbība uzrāda šādu reakciju:
CaCO 3 (tv) + H 2 CO 3 (aq) Ca 2+ (aq) + 2HCO 3 - (aq)
Vienkārša silikāta, piemēram, ar magniju bagāta olivīna, forsterīta, skābes hidrolīzi var apkopot šādi:
Mg 2 SiO 4 (tv) + 4H 2 CO 3 (ūdens) 2Mg 2+ (ūdens) + 4HCO 3 - (ūdens) + H 4 SiO 4 (ūdens)
Ņemiet vērā, ka H 2 CO 3 disociācija rada jonizētu HCO 3 -, nedaudz spēcīgāku skābi nekā neitrālā molekula (H 4 SiO 4 ), kas veidojas silikāta sadalīšanās laikā.
4. Sarežģītu silikātu noturība. Līdz šim mēs esam apsvēruši monomēru silikātu (piemēram, olivīna) atmosfēras iedarbību, kas pilnībā izšķīst (kongruenta izšķīšana). Tas vienkāršo ķīmiskās reakcijas. Tomēr izturīgu minerālu palieku klātbūtne liecina, ka nepilnīga izšķīšana ir biežāka. Vienkāršota atmosfēras reakcija, kā piemēru izmantojot ar kalciju bagātu anortītu:
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 )
Reakcijas cietais produkts ir kaolinīts Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4, nozīmīgs mālu minerālu pārstāvis.