Химический состав земной коры

Земля состоит из примерно 90 химических элементов. Однако при исследовании химического состава горных пород на земной поверхности или тех, которые залегают до 400 км в глубину, обнаруживается, что лишь 10 элементов встречается в земной коре в таком количестве, которое заслуживает внимания. Так каков же химический состав земной коры?

Химический состав земной коры

* 1 *

Химический состав земной коры можно представить следующим списком элементов:

  • кислород — 60,5 %,
  • кремний — 20,4 %,
  • алюминий — 6,2 %,
  • водород — 2,8 %,
  • натрий — 2,5 %,
  • кальций — 1,9 %,
  • железо — 1,9 %,
  • магний — 1,8 %,
  • калий — 1,4 %,
  • титан — 0,2 %.

Химический состав земной коры

* 2 *

И только потом в составе земной коры следуют:

  • углерод,
  • фосфор,
  • марганец,
  • сера,
  • фтор и другие.

И это мы перечислили только 15 элементов.

Остальные 85 элементов, входящих в состав земной коры составляют всего  лишь 0.19 %. К ним относятся столь редкие элементы, как иридий, платина, тантал, ниобий.

Этот перечень показывает, какой редкостью является месторождение минерального сырья, содержащего, скажем, 2.5 % металла в руде. Какое необычное стечение обстоятельств привело вообще к такой концентрации металла на Земле?

Кто такие геохимики и чем они занимаются?

Геохимики — это учёные, которые изучают состав Земли.

Геохимики исследуют структуру горных пород, состав воздуха и воды, сравнивают строение горных пород и почв, стараются понять как, где, когда и почему концентрируются или рассеиваются элементы, как они циркулируют в природе.

Но эта работа не является самоцелью геохимиков.

* 3 *

Земля напоминает живой организм: элементы в ней меняются местами, происходит их поглощение и высвобождение. Если понять, например, круговорот серы в природе — можно хотя бы частично понять и метаболическую систему Земли, что, в свою очередь, является важным условием решения основных вопросов дальнейшей жизни человеческой цивилизации.

Таким образом, геохимики занимаются тем, что хотят изучить и понять метаболическую систему Земли.

Другой проблемой, волнующей геохимию, является строение земных недр.

Иными вопросами занимается так называемая практическая геохимия, в задачи которой входит найти с помощью простых «химических» методов залежи минерального сырья.

Химический состав земной коры, мантии и ядра Земли
Отдельные слои Земли отличаются своим составом. Какое место занимают они в общем строении Земли, показывает рисунок: А — кора, В — мантия, С — ядро, В — Земля как целое.
* 4 *

Ведутся поиски повышенного содержания элементов в почвах, речных отложениях, даже в листьях деревьев, потому что такое повышенное содержание может указывать на нахождение полезных ископаемых под слоями почвы.

А поскольку эти «повышенные содержания» в действительности очень малы составляют, скажем, сотые и тысячные доли процента, геохимикам нужны для работы лаборатории, оборудованные специальными приборами.

Когда мы говорили о минералах, мы отметили, что их главной характерной чертой является структурное размещение составных частиц и химический состав. То же самое относится и к Земле: для того, чтобы ее описать и определить как космическое тело, нужно знать ее внутреннюю структуру, которую можно понять именно на основе физических свойств и химического состава.

Основным свойством каждого тела является его масса. Каждой массе соответствует сила тяжести — гравитационное ускорение, которое можно рассчитать на основе известных законов Ньютона. Масса и гравитация — это два свойства, которые нельзя отделить друг от друга.

Магнетизм Земли
Земной магнетизм
* 5 *

Большинство ученых предполагает, что источником магнетизации является земное ядро, как показывает рисунок выше. Одновременно видно, что ось вращения Земли (синяя) и магнитная ось Земли (красная) не тождественны. Поэтому магнитная стрелка показывает не географический север (G), а магнитный север (М). Отклонение называется деклинацией (D). Стрелка компаса имеет еще одно отклонение — она наклоняется несколько вниз, «к земле». Это называется инклинацией.

Деклинация и инклинация являются горизонтальным и вертикальным компонентами магнитного вектора.

Другими физическими свойствами, посредством которых мы могли бы характеризовать Землю как тело, являются:

  • земной магнетизм,
  • земное электричество,
  • тепловой поток
  • и эластичные свойства горных пород, из которых сложена Земля.

Физика Земли интересна тем, что использует одинаковые физические принципы для описания и изучения всего земного шара и для описания более мелких и совсем незначительных образований, возьмем, например:

  • Силу тяжести: измерение силы тяжести используется для определения формы земного шара, а также для определения границы соприкосновения двух образований породы, отличающихся удельной плотностью.
  • Или магнитные свойства: Земля как целое представляется одним огромным магнитом. Геофизик изучает изменения этого магнита, его перемены в течение дня или месяца, а поэтому он должен знать также магнитные свойства горных пород и составляющих их частиц — минералов.
* 6 *

Принцип гравиметрических методовРисунок — принцип гравиметрических методов.

Принцип гравиметрических методов весьма несложен: там, где скопилось большое количество материи, ускорение силы тяжести больше. На рисунке обе гири одинаковы, однако на левую действует большая плотность (больший вес) горных пород, находящихся под поверхностью.

Почему землетрясения интересуют геологов?

Ежегодно землетрясения приносят людям многомиллионный ущерб.

О землетрясениях люди знают с незапамятных времен, стараются их предсказывать, предупреждать, а в наше время даже появляются попытки ими управлять. Поэтому не удивительно, что землетрясения интересуют геологов.

Само по себе предсказание землетрясения — задача необыкновенно сложная, но поскольку оно имеет очень большое экономическое и общественное значение, то уже в начале XX века в мире была создана широкая сеть станций, неустанно регистрирующих толчки в недрах Земли.

Приборы для регистрации землетрясений несложны. Называются они сейсмографами и основаны на принципе инерции массы.

Принцип действия сейсмографа
Большинство геофизических приборов основано на простом принципе: большая инерционная масса — гиря — находится в покое, тогда как земная поверхность и прикрепленный к ней сейсмограф колеблются, в результате чего возникает сейсмическая запись. Для того, чтобы можно было регистрировать землетрясения, идущие с разных направлений, следует установить несколько сейсмографов.
* 7 *

Представьте себе кастрюлю, в которую положили тяжелый камень. Потом кастрюлей быстро потрясли из стороны в сторону. Поскольку камень имеет тенденцию оставаться на месте, будут слышны его удары о стенки кастрюли. Это и есть принцип сейсмографа.

Корпус прибора (кастрюля) прикреплен к Земле и сотрясается вместе с ней. Камень в сейсмографе заменен телом с большой массой, которое обладает инерцией покоя. Если это тело подвешено или прикреплено так, что корпус может двигаться независимо от этого тела, а вся конструкция связана с записывающим устройством, получается сейсмограф.

Регистрация сейсмических волн сейсмографом
Приход сейсмических волн и их регистрация сейсмографом. Значение А — амплитуда, величина волны, Т — продолжительность во времени одного колебания.

Для того, чтобы можно было определить направление приходящих волн землетрясения, тело сейсмографа совершает движения только в одном направлении. Для определения всех других направлений прихода сейсмических волн на одном месте располагается несколько сейсмографов.

Землетрясения интересуют геологов и еще по одной причине: уже давно они познали их значение для изучения строения недр Земли.

* 8 *

Без них мы бы знали гораздо меньше о земной коре и земном ядре.

  • Благодаря сейсмографам мы узнали очень много и о строении нашего космического соседа — Луны.
  • На основании скорости распространения, хода, отражения и преломления сейсмических волн было создано представление о слоистом строении Земли.

Продольные и поперечные сейсмические волны

Хотя это кажется невероятным, но землетрясение и вызванные им волны обегают весь земной шар, скажем, они возникают, например, вблизи Сицилии и возвращаются туда же с другой стороны. Правда, не везде их удается зарегистрировать. Сейсмические волны преломляются на границе двух сред, точно так же, как и световые волны: они отражаются, замедляют или ускоряют свое движение в соответствии с тем, в какой среде распространяются.

Определение эпицентра землетрясения
Определение эпицентра землетрясения является несложной геометрической задачей, если имеются три сейсмические станции (например, Р — Палермо, R — Рим и N — Неаполь) и точное время, зарегистрированное сейсмографами. Чем больше станций принимает участие в определении эпицентра, тем точнее можно определить область его нахождения.
* 9 *

Существует несколько типов сейсмических волн и отличаются они тем, как колеблются отдельные частицы при прохождении волны.

Наиболее важными являются продольные и поперечные сейсмические волны. Они распространяются внутри Земли.

Менее значительны поверхностные сейсмические волны.

Продольные и поперечные сейсмические волны имеют значительные отличия, на которых геофизики основали теорию внутреннего строения Земли.

В твердом теле продольные сейсмические волны распространяются быстрее, чем поперечные. В магматических и некоторых метаморфических горных породах, по которым мы ходим на поверхности Земли, эта скорость составляет около 6 км/сек.

Поперечные сейсмические волны распространяются медленнее и, кроме того, обладают одной особенностью: они не распространяются в веществе находящемся в жидком состоянии.

А поскольку они не распространяются по всему телу Земли, то этим дают одно из доказательств, что внутри Земли, где-то очень глубоко (примерно 2900 км под поверхностью) Земля находится в жидком состоянии, что ее железно-никелевое ядро расплавлено. Это наблюдение не ново, оно было сделано в начале 20 века.

К тому же времени относится и определение того, что Земля покрыта тонкой корой, а под ней находится мантия.

О границе между корой, толщина которой в среднем составляет 35 км, и мантией, впервые написал в 1908 году, после одного из разрушительных землетясений в Скопле, югославский исследователь Андрий Могоровичич.

* 10 *

По имени этого ученого граница между корой и мантией называется разделом Могоровичича и находится на глубине от 10 до 75 км при средней глубине 35 км.

Если сравнить Землю с чем-нибудь очень знакомым, тогда нужно представить себе необычное яблоко, в середину которого помещена гнилая слива. Кожура яблока — это земная кора, его мякоть — мантия, гнилая слива — жидкое внешнее ядро, а косточка сливы — это собственно ядро, которое, повидимому, твердое.

А теперь еще покажем, насколько человек, который умеет создать искусственные спутники и летает в Космос, пока еще не имеет достаточно сил для исследования недр своей планеты. Возьмем булавку и клещами отщипнем как можно чище ее головку. Как бы мы не старались, кусочек булавки там останется. Теперь головку воткнем в яблоко — мы едва проткнем кожуру. Вот так глубоко проникают и наши буры под «кожу» Земли.

Помимо скорости распространения сейсмических волн ведется изучение и других физических свойств Земли. При этом используются такие же простые по принципу, но точные приборы.

Так, изменение магнитного поля Земли основано на факте, что земной магнетизм состоит из двух частей — горизонтальной и вертикальной.

Геологи и геофизики используют земной магнетизм для получения многих сведений, например, для определения возраста горных пород, которые сохраняют в своих магнитных частицах следы магнитного поля периода своего возникновения.

Некоторые минералы, в частности железная руда, сами по себе сильно намагничены, поэтому поиски залежей минерального сырья, содержащего такие намагниченные породы, ведутся с помощью магнитометров.

* 11 *

Зачем геофизики имитируют землетрясения?

Зачастую сами геофизики имитируют землетрясения, чтобы определить строение самого верхнего слоя земной коры.

Заряд взрывчатого вещества помещается неглубоко под поверхностью, в определенных местах ставятся небольшие сейсмографы и все взаимно связывается проволокой. После этого происходит взрыв, вызывающий малое землетрясение, и на основе движения волн определяется профиль части земной коры.

Как температура Земли помогает изучать её строение?

Температура Земли, или тепловой поток, исходящий из нее — это физическая величина, которая тоже указывает на то, как выглядят недра планеты, а также на рассеяние или концентрацию радиоактивных элементов, при распаде которых выделяется тепло.

Поэтому в тех местах, где в земной коре или мантии имеется большая концентрация урана и тория, из Земли выходит больше тепла, чем там, где концентрация этих элементов меньше.

Высокая концентрация тепла наблюдается в вулканических областях, а также там, где вулканическая деятельность погасла сравнительно недавно (конечно, с точки зрения геологического измерения времени — миллионы лет). И в этих местах тепло имеет, вероятно, радиогенное происхождение. Но оно исходит из больших глубин и достигает поверхности Земли с потоком материи мантии, подобно тому, как струится вода в сосуде, подогреваемом снизу.

* 12 *
Зацените статью
Поделиться в соцсетях
Добавить комментарий

* 20 *