Литосфера
Литосфера является самой верхней твердой оболочкой земной поверхности (рисунок 1.1). На континентах (континентальная кора) и под океанами (океаническая кора) имеет резко различные мощность и состав
От нижележащей верхней мантии Земли она условно отделяется так называемой поверхностью Мохоровичича (Мохо), в пределах которой происходит существенное изменение скорости распространения сейсмических волн. Это позволяет судить о заметном увеличении плотности вещества верхней мантии, располагающегося ниже поверхности Мохо, по сравнению с плотностью пород литосферы.
В настоящее время человечество даже с помощью сверхглубокого бурения не может непосредственно исследовать глубины Земли за пределами первых десяти километров. Вследствие этого, все представления о строении, свойствах и составе глубоких зон Земли и литосферы составляются на основе всесторонней интерпретации геофизических, главным образом сейсмических, данных.
Исходя из сейсмических данных в континентальной коре на глубине 8—15 км (в среднем около 10 км) выделена поверхность Конрада, условно разделяющая более глубокий базальтовыйи поверхностный гранитный слои континентальной литосферы.
Средняя мощность гранитного слоя, контактирующего с гидросферой и атмосферой, в среднем составляет несколько более 10 км. В результате механического и химического взаимодействия гранитного слоя литосферы с водной и газообразной оболочками земной коры образовался третий слой литосферы — осадочный, состоящий из осадочных пород различного состава. Средняя мощность осадочного континентального слоя составляет 1,8 км [ ]
|
| Рисунок 1.1. |
В целом, толщина литосферы по современным представлениям достигает 20- 40 км. Имеющиеся в настоящее время данные по минералогическому и химическому составу пород, слагающих литосферу, относятся к ее верхнему слою, толщиной до 20 км.
В литосфере преобладают магматические и излившиеся вулканические породы (граниты, диориты, габбро, базальты, сиениты, дуниты), на долю которых приходится около 95% массы литосферы. Оставшиеся 5% включают осадочные породы (глины, песчаники, известняки, эвапориты).
Средний химический состав литосферы определяется, в основном, "легкими" химическими элементами, которые характеризуются относительно небольшими и четными атомными массами. Это химические элементы с атомными номерами до 30 (атомный номер соответствует количеству протонов в ядре атома) (рисунок 1.2).
На долю 10 самых распространенных элементов приходится 99,59% от массы земной коры (таблица 1.1) [4].
Таблица 1.1. Кларки химических элементов в литосфере
| Элемент | Атомный номер | Содержание в земной коре | Элемент | Атомный номер | Содержание в земной коре |
| кислород О | 47% | натрий Na | 2.5 % | ||
| кремний Si | 29,5 % | калий К | 2.5 % | ||
| алюминий Al | 8,05 % | магний Mg | 1.87 % | ||
| железо Fe | 4,65 % | титан Ti | 0,45% | ||
| кальций Са | 2.96 % | марганец Mn | 0,1% |
На долю остальных химических элементов приходится менее 0,5% массы земной коры. К примеру:
| Элемент | Содержание, г/т (%) | Элемент | Содержание, г/т (%) |
| медь Cu | 47 (0.0047) | золото Au | 0.0043 (4.7*10-7) |
| цинк Zn | 83 (0.0083) | марганец Mn | 1000 (0.1) |
| олово Sn | 2.5 (0.00025) | хром Cr | 83 (0.0083) |
Рисунок 1.2. Кларки химических элементов в литосфере
Распределение химических элементов в литосфере также подчиняется эмпирическому правилу Оддо-Гаркинса, согласно которому в литосфере преобладают химические элементы с четными атомными номерами (четное число протонов в ядре). На их долю приходится до 86,5% от массы литосферы.
К примеру:
| Элемент, атомный номер | Содержание, г/т | Элемент, атомный номер | Содержание, г/т |
| Бор (В), 5 | Марганец (Mn), 25 | ||
| Углерод (С), 6 | Железо (Fe), 26 | ||
| Азот (N), 7 | Кобальт (Со), 27 | ||
| Скандий (Sc), 21 | Рубидий (Rb), 37 | ||
| Титан (Ti), 22 | Стронций (Sr), 38 | ||
| Ванадий (V), 23 | Иттрий (Y), 39 |
В результате этого, минеральный состав литосферы на 98% представлен природными химическими соединениями (минералами) 10 наиболее распространенных элементов (таблица 1.2).
Таблица 1.2. Распространенность минералов в гранитной оболочке литосферы [Б]
| Минерал | Содержание, % |
| Кварц SiO2 | 22,9 |
| Полевые шпаты K[AlSi3O8], Na[AlSi3O8], Ca[Al2Si2O8] | 54,2 |
| Амфибол R7[Si4O11](OH)2 (где R= Mg, Ca, Fe) | 9,8 |
| Слюды K(Mg,Fe)3(OH,F)[Si2O10] , KAl2(OH,F)[AlSi2O10] | 5,5 |
| Пироксен CaMgSi2O6 | 3,5 |
| Магнетит Fe2O3×FeO | 1,3 |
| Ильменит FeTiO3 | 0,6 |
| Карбонаты CaCO3×MgCO3 | 0,5 |
Минералы, слагающие гранитную оболочку литосферы вступая на поверхности земной коры в химические реакции с растворами гидросферы и кислородом атмосферы, образуют комплекс гипергенных минералов, сочетание которых определяет химический состав пород осадочного слоя литосферы. Общая схема образования продуктов гипергенного изменения основных минералов гранитного слоя приведена в таблице 1.3 [2].
В процессах гипергенеза гранитного слоя ряд химических элементов полностью или частично выносится водными растворами из зоны гипергенеза и попадает в гидросферу, почвы и в дальнейшем может усваиваться растениями, животными и человеком. Следует отметить, что в процессах гипергенеза значительную, а иногда и решающую роль играет живое вещество биосферы.
Вследствие процессов гипергенеза химический состав осадочных пород в заметной степени отличается от гранитной оболочки литосферы (таблица 1.4).
Таблица 1.3. Продукты гипергенного преобразования главных породообразующих минералов
| Породообразующие минералы гранитной оболочки | Продукты гипергенного преобразования |
| Кварц SiO2 | Подвергается лишь физическому изменению (механическое ращрушение, измельчение). |
| Полевые шпаты K[AlSi3O8], Na[AlSi3O8], Ca[Al2Si2O8] | Глинистые минералы: каолинит Al4[Si4O10](OH)8, галлузит Al4[Si4O10](OH)8× 4H2O, алофан mAl2O3×nSiO2×pH2O, монтмориллонит Na(Mg,Al)2[Si4O10](OH)2·4H2O, иллит Al(OH)2((Si,Al)2O5))×K(H2O) |
| Слюды K(Mg,Fe)3(OH,F)[Si2O10] , KAl2(OH,F)[AlSi2O10] | Хлорит H4Mg2Al2SiO9, оксиды железа Fe2O3, FeO |
| Амфибол R7[Si4O11](OH)2 (где R= Mg, Ca, Fe) | Тальк Mg3Si4O10(OH)2 |
| Пироксен CaMgSi2O6 | Тальк Mg3Si4O10(OH)2 |
| Оливин (Mg,Fe)2[SiO4] | R2-3Si2O5(OH)4, где R = Mg, Fe2+, Fe3+, Ni , Al, Zn, Mn. |
| Магнетит Fe2O3×FeO | Лимонит FeOOH·(Fe2O3·nH2O) |
| Ильменит FeTiO3 | Лейкоксен TiO2×(H2O)n×Fe2O3 + лимонит FeOOH·(Fe2O3·nH2O) |
Таблица 1.4. Кларки главных химических элементов литосферы в гранитной оболочке и осадочных породах.
| Элемент | Содержание, % | |||
| Гранитная оболочка | Глинистые породы | Пески и песчаники | Карбонатные породы | |
| кислород О | 48,0 | 49,5 | 51,5 | 49,2 |
| кремний Si | 30,8 | 25,45 | 34,7 | 3,4 |
| алюминий Al | 8,0 | 9,49 | 2,86 | 0,96 |
| железо Fe | 3,5 | 4,82 | 2,8 | 0,86 |
| кальций Са | 2,5 | 2,22 | 2,68 | 32,5 |
| натрий Na | 2,2 | 0,84 | 0,92 | 0,25 |
| калий К | 2,7 | 2,33 | 1,32 | 0,28 |
| магний Mg | 1,2 | 1,5 | 0,73 | 0,95 |
| титан Ti | 0,3 | 0,47 | 0,3 | 0,12 |
| марганец Mn | 0,1 | 0,05 | 0,04 | 0,04 |
В земной коре преобладают ядра с небольшим и четным числом протонов и нейтронов. Поскольку речь идет о среднем составе, эта закономерность не зависит от геологических процессов, определяющих образование гранитов, базальтов, известняков и других пород. Таким образом распространенность химических элементов в основном связана не с земными, а с космическими причинами — она унаследована Землей от космической стадии, когда еще до образования планеты, т.е. свыше 4,5 млрд. лет назад, существовало протопланетное облако с температурой в десятки миллионов градусов. В этом облаке не было атомов и тем более молекул, вещество представляло собой плазму, т.е. полностью ионизированный газ, состоящий из электронов, протонов, нейтронов. При понижении температуры в плазме синтезировались ядра атомов, в первую очередь легких, содержащих четное число протонов и нейтронов.
В отличие от Земли главным элементом космоса является водород Н, взаимодействие ядер которого в центральных частях звезд при температурах в десятки миллионов градусов приводит к синтезу ядер гелия Не. Поэтому Вселенная в основном имеет водородногелиевый состав. Синтез более тяжелых ядер имел подчиненное значение — распространенность их в звездах (в том числе на Солнце) много меньше, чем Н и Не. Наибольшее значение опять-таки имел синтез легких ядер, особенно четных (содержащих четное число протонов и нейтронов). Синтез тяжелых ядер, включающих большое число протонов и нейтронов, менее вероятен, образующиеся ядра часто оказывались неустойчивыми и постепенно распадались. Некоторая часть этих ядер не полностью разрушилась и дожила до наших дней. Некоторые тяжелые ядра за прошедшие миллиарды лет распались полностью, и на Земле мы не знаем соответствующих элементов. Они были получены искусственно, часть открыта в звездах. Это технеций Те (№ 43), астат Аt (№ 85), Сm (№ 96), Вk (№ 97), Сf (№ 98) и другие трансурановые элементы.
Таким образом, главная закономерность распространенности элементов в биосфере — преобладание легких атомов, что связано со строением атомных ядер, их устойчивостью, ядерным синтезом в центральных частях звезд.