Лекция 1.3. Вещество земной коры Химический состав земной коры

Очередная тема нашего курса – вещественный состав земной коры. Из всех геосфер, изучение которых является предметом геологии, первостепенное внимание уделяется именно земной коре, как объекту, непосредственно доступному для наблюдения. И один из основных аспектов изучения земной коры – исследование её вещественного состава. Вещество, слагающее эту оболочку, весьма разнообразно. Но всё оно, в конечном счёте, построено из ограниченного набора «кирпичиков» – химических элементов. Поэтому знакомство с веществом земной коры целесообразно начать с рассмотрения её химического состава. Изучение химизма химического состава земной коры и других геосфер, закономерностей распределения в них химических элементов и их миграции (перемещения) в природе является предметом одной из важнейших геологических наук – геохимии.

Распространённость химических элементов в земной коре.

Количественное содержание различных химических элементов в природе в целом весьма неодинаково. Средние содержания одних химических элементов в природных средах могут измеряться процентами и даже десятками процентов, других – долями процента, даже очень малыми (миллионными и меньше). Элементы, средние содержания которых в конкретной природной среде составляют не менее десятых долей процента, называют макроэлементами. Их всегда немного. Остальные – это микроэлементы. Распределение микроэлементов, несмотря на их низкие содержания, также необходимо учитывать, поскольку они нередко оказывают существенное влияние на ход природных процессов.

В составе земной коры роль макроэлементов играют следующие:

O (47%), Si (29,5%), Al (8,05%), Fe (4,65%), Ca (2,96%), Na (2,50%), K (2,50%), Mg (1.87%), Ti (0,45%). В сумме – 99,48%. Таким образом, на долю всех остальных химических элементов, вместе взятых, приходится чуть более половины процента. Наглядно видна ведущая роль двух элементов – кислорода и кремния, отмеченная в предыдущей лекции.

Из-за явной ведущей роли кислорода в земной коре известный норвежский геохимик В.М. Гольдшмидт назвал эту оболочку оксисферой.

Для сравнения отметим, что в других внешних оболочках нашей планеты число ведущих химических элементов в целом более ограничено, и набор их иной. В гидросфере макроэлементами являются только кислород и водород (так как лишь из них состоит основное вещество этой оболочки – вода). В атмосфере – азот и кислород. Существенной спецификой отличается и средний химический состав живых организмов («живое вещество» по В.И. Вернадскому). Здесь роль макроэлементов играют кислород, углерод и водород – основные компоненты органических углеводородных соединений.

Минералы и горные породы

Минералы.

Формы нахождения химических элементов в земной коре разнообразны. Но основу её объёма слагают химические соединения в виде минералов.

Минерал определяется как химически и физически обособленный в пространстве неорганический продукт природной физико-химической реакции, находящийся в кристаллическом состоянии (по А.А. Годовикову). Отличие кристаллического вещества от некристаллического (аморфного) заключается в строгой упорядоченности расположения слагающих его атомов. Если мысленно представить каждый атом или ион кристаллического вещества в виде точки и соединить их условными линиями, то получим бесконечную геометрически правильную кристаллическую решетку (свою для каждого минерала). При этом точки соответствуют узлам этой решетки, а линии будут отражать химические связи между атомами или ионами.

Твёрдые природные вещества, не имеющие кристаллической структуры (аморфные) относятся к особой категории минералоидов. Относительная роль минералоидов в земной коре в целом весьма незначительна.

Принадлежность минерала к конкретному минеральному виду и все его свойства определяются двумя параметрами: его химическим составом и строением кристаллической решётки. Если мы возьмём два минеральных вещества, имеющих одинаковый состав, но различную кристаллическую структуру, это будут два разных минерала. Наиболее ярким примером являются графит и алмаз, оба представляющие собой модификации одного и того же химического элемента – углерода, но с различным строением кристаллической решётки. В результате свойства этих двух минералов не просто весьма различны, но во многих отношениях контрастны. В частности, графит относится к числу самых мягких минералов, а алмаз является самым твёрдым.

Способность одних и тех же атомов формировать различную по структуре кристаллическую решётку называется полиморфизмом (от греческих корней «поли» – много и «морфос» – форма). Минеральные виды, имеющие один и тот же химический состав, но различное кристаллическое строение, называются полиморфными модификациями.

Широко распространён и противоположный вариант – когда аналогичные места кристаллической решётке с одними и теми же параметрами могут занимать атомы различных химических элементов. Такая возможность имеется в тех случаях, когда сходны и химические свойства атомов, и их размеры. Это явление получило название изоморфизма (от греческого корня «изо» – одинаковый). Изоморфизм в мире минералов может быть совершенным, когда атомы двух или более видов могут заменять друг друга в неограниченных соотношениях. В этом случае в природе возможны постепенные переходы между различными минеральными видами, которые называются изоморфными рядами. Такие ряды характерны, в частности, для минералов, являющихся солями угольной кислоты (карбонатами). Возможен, например, полный переход от чисто кальциевого карбоната CaCO₃ (кальцита) к чисто магниевому MgCO₃ (магнезиту) через все промежуточные варианты с различными соотношениями кальция и магния в составе. Другим вариантом является несовершенный изоморфизм, когда какой-либо элемент в ограниченном количестве может замещать в кристаллической решётке другой в качестве изоморфной примеси.

Наличие у минералов упорядоченной кристаллической структуры обуславливает возможность формирования ими естественным путём индивидов правильной геометрической формы – кристаллов. При этом внешняя форма кристаллов определяется внутренним строением кристаллической решётки, которая у каждого минерала индивидуальна – кубы, тетраэдры, октаэдры, призмы и т.д. Поэтому форма кристаллов, наряду с другими свойствами минерала, является его характерным признаком, позволяющим диагностировать минеральный вид. Но иногда возможны случаи, когда минерал «маскируется», приобретая не свойственную ему форму. Это возможно в тех случаях, когда в природном процессе один минерал избирательно заместил другой, унаследовав внешнюю форму его кристалла. Такие образования называются псевдоморфозами («имеющими ложную форму»).