Раздел 3. Земная кора

Тема 3.1: Строение земной коры. План:

1.Граница Мохоровича

2.Сверхглубокое бурение

3.Состав земной коры

Ключевые слова: литосфера,границы земной коры,состав земной коры

Литосфера – до глубины 50-70 км от поверхности Земли. Литосферу часто называют «Земной коры» и разделяют на гранитную и базальтовую оболочки. С поверхности Земли литосфера представлена из небольшой по мощности толще осадочных пород.

В настоящее время пробурена скважина до глубины 15-16 км.,т.е.мы имеем представление о земной коре до глубины 16км

В действительности земная кора состоит из легкоплавких силикатов с преобладанием алюмосиликатов. Больше всего в земной коре содержится кислорода (49.13%), кремния (26%), и алюминия (7.45%). Кислород в земной коре содержится в форме оксидов, в среднем: SiO₂ – 58%; Al₂O₃ – 15%; FeO и F₂O₃ – 8%; CaO – 6%; MgO и Na₂O – 4%; K₂O – 2.5%

Граница земной коры от нижележащей мантии характеризуется возрастанием скорости сейсмических волн: продольных от 5.57-7.6 до 7.9-8.3км/с; поперечных от 3.36-3.7 до 4.5-4.7кмС.

Поверхностный раздел открыт югославским сейсмологом А. Мохоровичичем и назван поверхностью Мохоровичича или Мохо.

Контрольные вопросы:

1.Различие между земной корой и литосферой

2.Состав земной коры

3.Расположение границы Мохо

Тема 3.2: Вещественный состав земной коры Понятие о минералах и их происхождение. Классификация. План:

1. Понятие о минералах и их кристаллических строениях.

2. Происхождение минералов.

3. Использование минералов в народном хозяйстве.

4. Физические свойства минералов

5.Горные породы, распространение в Земной коре.

6. Происхождение горных пород.

Ключевые слова: Источник энергии, эндогенные, экзогенные, метаморфические, магматические, пегматитовые, пневмотолитовые, гидротермальные, гранит, гидротермы, летучие компоненты, выветривание, плотность, кристаллическая структура, магнитность, радиоактивность, эталонная шкала, классификация, псевдоморфоза,

Минерал - это продукт физико - химических процессов. По источнику энергии процессы минералообразования разделяются на три большие группы:

I - эндогенные, связанные с внутренней энергией Земли.

II - экзогенные, связанные с энергией Солнца.

III - метаморфические, связанные с метаморфическими процессами.

Эндогенные (глубинные) процессы протекают в недрах Земли и связаны с магматической деятельностью.

Процессы застывания магмы ведут к образованию различных магматических горных пород, а отделяются от магмы газовые и водные растворы переносят различные вещества, которые при соответствующих условиях, например, в трещинах, выделяются в виде минералов.

Эндогенные процессы связаны с деятельностью магмы. Среди них выделяются:

А) Собственно магматические

Б) Пегматитовые

В) Пневмолитовые

Г) Гидротермальные

А) К собственно - магматическим процессам образования минералов относятся те, при которых минералы образуются непосредственно при кристаллизации магмы. Именно таким образом возникли все минералы, слагающие магматические горные породы. Например, гранит состоит из полевых шпатов, кварца и слюды.

Второстепенные минералы (акцессорные) минералы гранита - апатит, циркон, ортит и другие также имеют магматическое происхождение. Магматическое происхождение имеют многие практически важные минералы - апатит, алмаз, платина, руды хрома, никеля, меди, железа и т.д.

Б) Пегматитовый процесс

При кристаллизации гранитной магмы, образуется остаточный силикатный расплав, богатый соединениями редких и редкоземельных элементов и летучих веществами - минерализаторами. Это силикатный расплав внедряется во вмещающие породы, заполняет в них трещины и полости и кристаллизуясь, образует жильные крупнокристаллические тела - пегматиты.

Пегматиты богаты различными минералами. Кроме главных породообразующих минералов - микроклина, плагиоклазов, кварца и биотита - часто встречаются турмалины, берилл, сподумен, лепидолит, танталит, колумбит, минералы редких земель и другие.

Пегматитовые жилы могут иметь длину в несколько километров и несколько десятков мощности.

Минералы пегматитов достигают больших размеров. Например, кристаллы сподумена - минерала, содержащего литий достигают иногда 14 м в длину (США) . Кристаллы дымчатого кварца могут достигать 4 т. (Бразилия), кристалл берилла, найденный в пегматитах Мадагаскара, имел длину 18 м и весил более 300 т.

Пегматитовый процесс один из основных процессов минералообразования, пегматиты являются источником слюды - мусковита, редких металлов - лития, и керамического сырья.

В) Пневмалитовый процесс. («пневма» - по - гречески - «газ»).

Пневматолиз - это процесс образования минералов из газовой фазы. На некоторых этапах кристаллизации магмы возможно отделение газов. По мере продвижения вверх по трещинам эти газы охлаждаются, реагируют друг с другом и вмещающими породами, в результате чего образуются минералы.

Продукты пневматолиза - пневмалиты - разделяются на вулканические и глубинные.

1. Вулканические пневмалиты образуются в вулканических областях за счёт газов, отделяющихся от магмы вблизи поверхности или на поверхности Земли. Вулканические газы в огромных количествах уходят в атмосферу через жерла вулканов и трещин вокруг кратеров. Главными газами при извержениях являются пары воды, HCl, H2S, SO2, CO 2, CO, H2, O 2 и NH4 Cl, хлористые и сернистые соеденения Na, K, Ca. В газах также обнаруживаются хлористые соединения железа, меди, марганца, свинца, соединения бора, фтора, брома, фосфора, мышьяка, сурьмы и др.

В процессе возгона газов трещинах лавовых покровов и кратерах вулканов происходит образование минералов. Преимущественно это хлориды, сульфаты - минералы, легко растворимые и поэтому не наблюдаемые в большом количестве. Обычно все минералы, образующиеся при вулканической деятельности, имеют вид налётов, мелкокристаллических корочек или землистых агрегатов. Примерами образования минералов могут служить следующие реакции:

2FeCl₃+2H₂OFe₂O3+6HCl 2H₂S+O₂=2H₂+2S

сера

Образуются минералы (сульфидов) - пирит, марказит, пирротин, халькопирит, сфалерит и др.

2. Глубинные пневмалиты образуются в том случае, когда газы отделяются от магматического очага в недрах земной коры. Они просачиваются сквозь их химический и минеральный состав. Степень химических преобразований пород под действием газов зависит от их химической активности, состава пород, тектонического строения и длительности процесса. К глубинным пневмалитам относят некоторые жильные тела (тела выполнения трещин) и грейзеры. Грейзеры - породы, образовавшиеся благодаря переработке магматическими эманациями (газами и водными растворами) гранитов и жильных магматических пород, а также эффузивов и некоторых осадочно - метаморфических пород, богатых кремнезёмом и глинозёмом. (Рациональное использование природных богатств).

Необходимо привести сведения о грейзенах, использование горячих источников.

В минералогическом отношении в грейзенах резко преобладает кварц. Кроме того, они почти всегда содержат мусковит, часто литиевые слюды, топаз, турмалин, рутил. Из рудных минералов касситерит вольфрамит, в меньшей степени молибденит и арсенопирит. Нередко в грейзенах можно встретить берилл, особенно характерна его прозрачная разновидность цвета морской воды - аквамарин, являющаяся драгоценным камнем.

4. Гидротермальный процесс. Гидротермы - горючие водные растворы, отделяющиеся от магмы или образующиеся в результате ожижения газов. Гидротермальные растворы выносят из магматического очага целый ряд соединений металлов. Обычно гидротермы (растворы) под давлением двигаются вверх, к поверхности земли. При своём движении они используют различные тектонические нарушения, трещины, зоны контактов. По мере удаления растворов от магматического очага температура их падает. В результате падения температуры и реакций с вмещающими породами гидротермы свой груз отлагают в виде минералов.

Гидротермы обычно движутся по трещинам, форма большинства гидротермальных минеральных тел - жильная.

Главнейшим жильным минералом является кварц. Гидротермы могут быть высоко (450-300 ^о), средне (300-200 ^о), низкотемпературные (ниже 200 ^о).

Как правило, высокотемпературные гидротермальные минеральные тела располагаются ближе к интрузии, в то время как низкотемпературные являются наиболее удалёнными. Это ведёт в известной степени к зональному расположению продуктов гидротермального процесса по отношению к той интрузии, которой они обязаны своим происхождением.

Так, ближе к гранитной интрузии и в самом интрузиве располагаются гидротермальные жилы с вольфрамитом, касситеритом, молибденитом, далее - жилы с сульфидами меди, свинца и цинка, серебра, затем сурьмы и ртути. Однако подобная зональность не является строго концентрической, проявляется не всегда и характерна лишь для сравнительно небольших (до 10 мм в поперечнике) гранитных штоков. Гидротермы так же, как и газы, просачиваются сквозь боковые породы, химически реагируют с ними, замещают их, привнося новые соединения.

Так возникают контактно - метасоматические тела, имеющие часто трубчатую или неправильную форму и залегающие большей частью среди карбонатных пород.

При гидротермальной переработки вмещающих пород эти горные породы могут быть сильно изменены. Бак, при действии гидротермальных растворов на богатые магнием ультраосновные породы и доломиты образуются асбест, тальк, магнезит, а действие низкотемпературных сернокислых гидротерм не богатые щелочами породы ведёт к образованию алунита.

Гидротермальное происхождение имеют большинство руд цветных, редких и радиоактивных металлов, золото, а также различные неметаллические полезные ископаемые.

Следует отметить, что гидротермальные работы растворы, несущие оруднение, не обязательно должны быть магматическими. Это основывается на следующем, вместе с осадочными породами в глубокие горизонты литосферы попадают огромные количества воды и газов как в свободном виде (подземные, пленочные и др.), так и в связанном (кристаллизационная, калоидная вода). Вся литосфера как бы пропитывается водой и газами.

Экзогенные процессы минералообразования происходит в поверхностной зоне земной коры. Где протекает процесс разрушения минералов и горных пород. Продукты разрушения могут переноситься водными и воздушными потоками на значительные расстояния. Некоторые минералы и породы могут при этом переходить в раствор и мигрировать в в растворённом виде, достигая морей и океанов.

В результате физического выветривания происходит механическое разрушение пород и минералов их дезинтеграция. Обломочный материал либо остаётся на месте, либо переносится водными потоками. Новых минералов при этом не образуется, но в результате механического разрушения, переноса и отложения образуются россыпи - важный источник многих ценных минералов.

При химическом выветривании происходит химическое разложение минералов и образуются новые минералы, устойчивые в поверхности условиях. Здесь прежде всего, надо отметить так называемые остаточные образования. При разложении горных пород, содержащие различные силикаты и алюмосиликаты, происходит вынос растворимых продуктов (соли калия, натрия, кальция, магния), а труднорастворимые продукты - глинозём и кремнезём - остаются на месте разрушения или испытывают незначительное перемещение.

Образование коалита происходит по следующей схеме:

K[Al Si₃O₃]+CO₂+H₂OAl₄[Si₄O₁₀](OH)₂+K₂CO₃+SiO₂.

Б окситами называют остаточные образования коры выветривания, обогащённые гидроокислами алюминия. Процессы образования каолинита и бокситов носят название соответственно каолинизация и бокситизация. Во вскрытых эрозией рудных жилах первичные (гидротермальные и др.) рудные минералы, в особенности сульфиды, легко разрушаются и переходят во вторичны, окисленные минералы - сульфаты, окислы, карбонаты и другие соединения.

В самой верхней части окисления, богатой кислородом, сульфиды окисляются в сульфаты, например,

C uFeS₂+4O₂=FeSО₄+CuSО₄

О садочный процесс. Химическое осаждение минералов может происходить как из истинных, так из калоидных растворов. В озёрах и морях возникали такие условия, когда растворённые вещества не могли больше находиться в растворе и выпадали в осадок. Таково происхождение различных солей: гипса, галита, карнелита и др. (химические осадки). Здесь накопление солей происходит в условиях сухого климата при испарении морских (реже континентальных) вод.

Образцы: Гипса, ангидрита, галита.

Метаморфический процесс минералобразования будет происходить в более глубоких зонах литосферы, где существуют иные термодинамические условия, чем на поверхности. При высоких температурах и давлении происходит обезвоживание, перекритасталлизации и метасоматических явлениях. Образуются минералы как волластонит, гроссуляр.

В контактовой зоне (контактовый метаморфизм) образуются своеобразные породы - скарны. Характерными минералами скарнов являются пироксенными минералами скарнов являются пироксены (диопсид, геденбергит), гранаты (гроссуляр, андрадит) и др.

В связи с тем, что в этой теме много информации (новые термины), поэтому в конце занятия нужно повторить все термины и провести контроль усвоения материала.

Характеристика основных породообразующих минералов.

Известно, что физические свойства минералов имеют большое практическое значение (магнитность, твёрдость, оптические свойства, радиоактивность и др.) и очень важны для их диагностики. Они зависят от химического состава и типа кристаллической структуры.

Плотность минералов колеблется от величин примерно павных единице, до 23,0 г/см3. Основная масса минералов имеет плотность от 2,5 до 3,5 г/см3.

Минералы по плотности условно можно разделить на 3 группы: лёгкие (до 3 г/см3), средние (от 3 до 4 г/см3) и тяжёлые более 4 г/см3, некоторые минералы легко узнаются по большой плотности (барий 4,6, церрусит 6,5 г/см3).

Эталонами шкалы твёрдости являются следующие минерал, расположенные в порядке увеличения твёрдости:

1. Тальк

2. Гипс

3. Кальцит

4. Флюорит

5. Апатит

6. Ортоклаз

7. Кварц

8. Топаз

9. Корунд

10. Алмаз

Внешний вид минералов различен. Он определяется их размерами и морфологией. Внешний вид ограниченных минералов или их габитус определяется преобладанием граней тех или иных простых форм . Габитус минералов может быть кубическим, октаэдрическим, тетраэдрическим, призматическим и т.д.

Например, кубический габитус имеют: флюорит, пирит, галит и т.д.

Встречаются минералы, которые имеют не свойственную им форму. Подобные образования называются «псевдоморфозами» (псевдо - чужой).

1. В самородном состоянии в природе известны около 40 химических элементов, но большинство из них встречается очень редко. Часто встречается : Золото, серебро, платина, осмий, иридий, рутений, радий, палладий, углерод, сера, медь; Редко встречаются : мышьяк, сурьма, висмут.

2.Сернистых (сульфиды) и аналогичных им минералов более 200 видов наиболее часто встречается халькозин, халькопирит, малахит, куприт, галенит, киноварь, сфалерит, пирротин, ковелин, пирит - FeS₂ кубическая сингония, марказит -- FeS₂ (ромбическая сингония)

3. Галоиды - галит (каменная соль) NaCl, сильвин KCl, флюорит - (плавиковый шпат) - CaF₂ (разновидность оптического флюорита), MgCl₂** 6H₂O и другие (около 100 минералов).

4. Окислы (оксиды): наиболее распространёнными является кварц Si O₄ ( по происхождению различают SiO₂ температура плавления от 545^О - 1710 ^о С). В кристаллических структурах минералов класса окислов катионов металлов находятся в окружении анионов кислорода О₂. Куприт - Cu₂O - экзогенные корунд - As₂O₃. Гематит - (красный железняк) Fe₂O. Рутил - Ti O₂. касситерит - (оловянный камень) SnO₂ и другие.

5. Гидроокислы - опал - аморфный минерал, содержит от 3 до 9% воды, лимонит (бурый железняк), манганит MnO (OH) - минерал марганца и другие.

6. Силикаты - до 800 минералов, наиболее часто встречаются часто: оливин - (MnFe)₂ [SiO₄] встречается часто в оливиновых базальтах и кимберлитах),полевые шпаты (эндогенные) плагиоклазы и ортоклазы. Плагиоклазы в зависимости от содержания альбита и анортита имеют различные наименования.

Пироксены: Наиболее распространённый из них - авгит - Ca (Mg, Fe, Al) * [(Si, Al₂)]₂ O₆. Авгит -главнейшая составная часть габбро (горная порода) и другие минералы глин: каолинит Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈ монтмориллонит - (Ab₂Mg₃)*[Si₄O₁₀]*(OH₂)*nH₂O.

7. Карбонаты - к ним относятся более 80 минералов наиболее распространённый минерал - кальцит - Ca CoO₃ - исландский шпат - прозрачный (молочно -белый) входит в состав известняков, мраморы и другие применяется для производства извести.

Магнезит - MgCО₃ (цвет белый) применяется для изготовления огнеупорных кирпичей, цемента (минерал часто встречается в метаморфических породах).

Доломитах (серовато - белый) в мраморах встречается для изготовления гидравлической извести и огнеупорных материалов.

Сидерит - Fe (CO₃) (сидерес - железо) важная руда железа.

Родохрозит - Mn (CO₃) - руда марганца

Смитсонит - Zn (CO₃) ценная руда цинка.

8. Фосфаты - около 350 минералов, преимущественно это редкие экзогенные минералы магматического происхождения имеют моноцит и апатит.

Моноцит - фосфат церия (Ce) и других редкоземельных металлов, а также тория Th. Содержание около 5- 10%, применяется как руда на редкие земли и торий.

Апатит - от слова «апата» - обманываю, так как этот минерал долго время принимался за другие минералы. Выделяются следующие разновидности апатитов.

1) фторапатит - Ca₅ [PO₄]₃ F

2) хлорапатит - Ca₅ [PO₄]₃ Cl

3) и др.

Апатиты встречаются в крупных и др. кристаллах.

Применяется как сырьё для получения различных фосфорных удобрений.

Фосфориты - представляют собой осадочные образования, состоящие из фосфата кальция по составу аналогичны апатиту (состоят из тонкодисперсного апатита).

9. Сульфаты - этот класс объединяет до 260 минералов, происхождение которых связано с одними растворами.

Гипс - применяется в строительстве.

Ангидрит - безводный гипс. При соприкосновении с водой переходит в гипс. Применяется как поделочный камень и добавка к цементу.

Барит - (тяжёлый шпат) - гидротермальное. Применяется в виде препаратов бария, а также при бурении скважин в качестве утяжелителя глинистых растворов, лакокрасочной промышленности, как накопитель при производстве обоев, клеёнки, линолеум.

Соли бария употребляются для борьбы с вредителями сельского хозяйства и в медицине.

Англезит - Pb(SO₄) цвет белый, блеск алмазный, руда - Pb (63%).

Мирабилит - (глауберова соль) - применяется в стекольной промышленности, для приготовления соды, а также применяют в медицине.

10. Вольфроматы и молибдениты характеризуются небольшим количеством минералов - важные руды на вольфраме и молибдене.

Шеелит - Ca (WO₄). Цвет белый, серый, жёлтый (часто можно спутать с кварцем, полевым шпатом ), происхождение скарновое.

Ферримолибдит - (молибденовая охра) - Fe₂ [Mo O₄]₃* 7H₂O где МoО₃ =60%.