Геохимический состав Земли
Химический состав Земли, распространение химических элементов, химические процессы в геосферах Земли изучает наука геохимия. Химический состав геосфер и Земли в целом основывается на данных изучения химического состава горных пород, метеоритов, образцов пород, доставленных с Луны, Марса, расшифровки спектрограмм Солнца и результатах физических методов исследования оболочек Земли. Нам уже известно, что ядро обладает значительно большей плотностью, чем Земля в целом и что оно состоит из двух частей: внутренней и внешней. С большей уверенностью можно судить о составе мантии, чем о составе ядра, так как кимберлитовые трубки взрыва корнями своими уходят в нижнюю мантию. Богатый материал дают метеориты. По составу выделяют три типа метеоритов: 1) железные, состоящие главным образом из никелистого железа (90–91% Fe), с небольшой примесью кобальта и фосфора; 2) железокаменные (сидеролиты), состоящие из железа и силикатных минералов; 3) каменные (хондриты), или аэролиты, состоящие главным образом из железисто-магнезиальных силикатов и включений никелистого железа. Из перечисленных типов метеоритов на Землю большей частью попадают каменные метеориты (хондриты) — 92%.
Рис. 15. Химический состав геосфер Земли (по А.Е. Ферсману)
По данным химического анализа горных пород, в литосфере и земной коре установлено 93, а в космосе 97 химических элементов. История изучения химического состава Земли имеет продолжительный период. Более 150 лет назад, впервые английский минералог Ф. Фекликс исследовал химический состав земной коры. В середине XIX в. американский ученый Ф. Кларк определил содержание в земной коре более 50 химических элементов. Высоко оценивая вклад Ф. Кларка в изучение геохимии Земли, позже ученые предложили среднюю величину содержания химического элемента назвать кларком. Кларки бывают массовыми (весовыми), атомными и объемными. Весовые кларки — это средние содержания элементов, выраженные в процентах или граммах на грамм породы; атомные — процентное количество числа атомов элементов; объемные — показывают, какой объем в процентах занимает данный элемент.
Проблемой геохимии геосфер Земли занимались многие ученые. Это Г. Вашингтон, И. Фогт, П. Нигли, В.И. Вернадский, А.Е. Ферсман, А.П. Виноградов, Р. Тейлор и другие. В химическом составе Земли, согласно данным А.Е. Ферсмана, (рис. 12) преобладают железо (37,04%) и кислород (28,50%), затем следует кремний (14,47%), магний (11,03%), никель (2,96%), кальций (1,38%), алюминий (1,22%), сера (1,44%) и прочие 1,96%.
Современная оценка валового элементарного состава Земли из выводов А.Е. Ферсмана, Ф. Кларка, Б. Мейсона, А.П. Виноградова, В.В. Добровольского и других ученых заключается в том, что в Земле наиболее распространены четыре элемента: О, Fe, Si, и Мg, — на их долю приходится более 91% состава Земли. Менее распространены элементы Ni, S, Ca, A1 — они образуют вторую группу элементов. На оставшиеся химические элементы периодической таблицы Д.И. Менделеева приходится менее 1% массы Земли.
Химический состав геосфер Земли отличается. Так, состав земного ядра, по данным анализа Д. Брауна, характеризуется следующим образом: 1) внутреннее ядро 1,7% массы Земли — железо-никелевый сплав (вероятно, около 10% никеля, 90% железа); 2) внешнее ядро 30% массы Земли — смесь железа и серы, содержащая в основном железо, примерно 12% серы, и, вероятно, около 2% никеля. В незначительном количестве присутствуют окислы магния.
В составе мантии Земли преобладают кислород, кремний и алюминий, в меньшем количестве присутствуют магний и железо. В целом она представлена так называемым пиролитом — сложным комплексом пород ультраосновного состава.
Химический состав верхней и нижней мантии почти одинаковый и соответствует океаническим лерцолитам. Химический состав земной коры отличается от состава ядра и мантии. Он изучен лучше, чем глубокие сферы Земли. Из обобщения результатов химического анализа образцов горных пород, выполненных ведущими геохимиками В.И. Вернадским, А.Е. Ферсманом, А.Н. Заварицким, А.П. Виноградовым, Ф. Кларком и другими, получено, что на долю трех элементов — кислорода, кремния и алюминия приходится 84,55%; вторую распространенную группу элементов составляют: Fe, Ca, Na, F, Мg — 14,48%; на остальные многочисленные элементы отводится всего 0,8% массы земной коры. Сравнение химического состава земной коры, мантии и ядра показывает, что в земной коре более высокое содержание О, Si, A1, К, Na, Ca и низкое содержание Fe и Мg, а также Ni, Cr и Со. Эту особенность ученые объясняют химико-плотностной дифференциацией Земли, когда тяжелые элементы оседают в ядро, а легкие «всплывают» в верхней части Земли.
Геологические процессы, протекающие внутри Земли, такие как перемешивание расплавленной магмы, с образовавшимися ранее горными породами, дифференциация (разделение) магмы и многие другие, а также процессы, действующие на земной поверхности, приводят к образованию разнообразных минералов, горных пород и полезных ископаемых.
Контрольные вопросы:
1. Какими методами изучают глубокие недра Земли?
2. Что такое зеная кора и где она образуется?
3. Что такое паспорт Земли?
4. Что такое астеносфера и литосфера?
5. Каков состав ядра Земли?
6. Каков химический состав Земли?
7. Какие учёные занимались изучением химического состава Земли?
8. Что такое верхняя мантия и из каких пород она состоит?
9. Что такое эклогит и где он встречается?
10. Что такое пиролит и где он встречается?
Тема 4.
Геохронология и стратиграфия
Для изучения геологического времени существует наука ГЕОХРОНОЛОГИЯ (от греч. "Ge" - Земля, "chronos" - время и "logos" - слово, учение) - геологическое летоисчисление, построенное на учении о временнóй последовательности формирования горных пород, слагающих земную кору. Различают абсолютную (изотопную) и относительную геохронологию. Абсолютная геохронология устанавливает так называемый абсолютный возраст горных пород, то есть возраст, выраженный в единицах времени, обычно в МИЛЛИОНАХ ЛЕТ. Его определение базируется на знании скорости распада изотопов радиоактивных элементов. Эта скорость есть величина постоянная - она не зависит от интенсивности физических и химических процессов.
Относительная геохронология заключается в определении относительного возраста горных пород, который даёт представление о том, какие отложения в земной коре являются более молодыми и какие более древними. Она оперирует понятиями "раньше - позже" в смысле временно́й последовательности, а потому геохронологические подразделения следуют друг за другом как "ранний - средний - поздний".
Кроме того, для изучения последовательности реальных горных пород существует наука СТРАТИГРАФИЯ (от лат. "stratum" — слой и греч. "grapho" — пишу) - раздел геологии, изучающий последовательность формирования геологических тел и их первоначальные пространственные взаимоотношения. Стратиграфия оперирует понятиями "ниже - выше" в смысле последовательности напластования слоёв, а потому стратиграфические подразделения следуют друг за другом как "нижний - средний - верхний".
return false">ссылка скрытаЭто объясняет различия в терминах геохронологии и стратиграфии. В данной таблице параллельно приводятся те и другие.
Стратиграфические термины выделены курсивом.
ЦВЕТА, присущие каждому из подразделений, не случайны - это цвета, используемые также на геологической карте и установленные международными соглашениями.
Ранг внутренних подразделений Протерозоя и Архея остаётся не до конца определённым и может быть впоследствии изменён. Кроме того, наши сведения о времени возникновения жизни на Земле, формировании первых из земных горных пород и возникновении самой планеты Земля достаточно условны и будут неоднократно уточняться.
Желающие получить углублённые и наиболее современные сведения по стратиграфии, могут сделать это, например, здесь (табл. 3).
Относительное летосчисление определяет возраст геологических объектов и последовательность их образования стратиграфическими методами. Разрабатывается при помощи палеонтологических (биостратиграфических) и непалеонтологических методов стратиграфии.
В основе палеонтологических методов лежит закон Л. Долло о необратимости эволюции органического мира. Организм никогда не сможет вернуться к предковому состоянию, даже если он окажется в обстановке, близкой к условиям обитания предков.
• метод руководящих ископаемых.
• метод комплексного анализа.
• количественные методы корреляции.
Метод руководящих ископаемых. Состоит в том, что одновозрастными считаются отложения с одинаковыми руководящими формами. Под руководящими ископаемыми подразумеваются органические остатки, принадлежащие группам, которые существовали короткий промежуток времени, но успели за небольшой срок расселиться на значительные территории и в большом количестве. Следовательно, руководящие ископаемые должны иметь широкое горизонтальное и узкое вертикальное распространение, встречаться часто и в большом числе экземпляров, а также легко распознаваться. Например, брахиоподы Obolus apollinis характерны для тремадокского яруса ордовика, брахиоподы Choristites mosquensis для московского яруса карбона.
Абсолютное летосчисление – устанавливает время возникновения горных пород, проявления геологических процессов, их продолжительность в астрономических единицах (годах) радиологическими методами.Истинную продолжительность отдельных геохронологических единиц (в тысячах и миллионах лет) можно установить радиогеохронологическими методами или методами определения абсолютного возраста. Для установления абсолютного возраста горных пород используются радиоактивные элементы с постоянной скоростью радиоактивного распада. Постоянная скорость радиоактивного распада обоснована теоретически и доказана опытным путём. Она характеризуется периодом полураспада – временем, в течение которого радиоактивное вещество уменьшается наполовину. Для установления абсолютного возраста горных пород используются радиоактивные элементы с длительными периодами полураспада, исчисляемыми миллионами, миллиардами лет. Учитывая периоды полураспада и сравнивая их с геологическим возрастом Земли, можно считать их вполне сопоставимыми, а это значит, что радиоактивные элементы (232Th=15,17млрд. лет , 238U= 4,51млрд. лет, 235U=0,713млрд. лет) могут дать объективные данные возраста даже самых древних пород.
Уран-свинцовый метод. В основе метода лежит процесс радиоактивного распада изотопов 235U, 238U, 232Th на изотопы свинца. Для определения возраста надо знать содержание урана или тория и изотопа свинца в радиоактивном минерале. Обычно используют сильно радиоактивные минералы, содержащие более 1% урана или тория: уранинит, монацит, ортит, циркон. Для удобства возраст вычисляют по заранее составленным таблицам, номограммам, графикам.
Таблица 3
| ГЕОХРОНОЛОГИЧЕСКАЯ (СТРАТИГРАФИЧЕСКАЯ) ШКАЛА ЗЕМЛИ | ||||||||
| Эон (Эонотема) | Эра (Эратема) | Период (Система) | Эпоха (Отдел) | Век (Ярус) | Индекс | Начало (млн.лет назад) | Длительность (млн. лет) | Основные события |
| Ф А Н Е Р О З О Й | Кайнозой- ская KZ | Четвертич- ный или Антропоген (Четвертич- ная) Q | Голоценовая или Современ- ная (Голоцен) | QIV | 0,015 | Продолжается до сих пор | Конец Ледникового Периода. Возникновение цивилизаций | |
| Плейстоценовая (Плейстоцен) | QII,III | 0,8 | ~0,8 | Вымирание многих крупных млекопитающих. Появление современного человека | ||||
| Эоплейстоценовая (Эоплейстоцен) | Q I | 1,8 | 1,0 | |||||
| Неогеновый (Неогеновая) N | Плиоценовая (Плиоцен) | Акчагыльский | N2ak | 3,4 | 1,8 | |||
| Киммерийский | N2k | 5,3 | 1,9 | |||||
| Миоценовая (Миоцен) | Мессинский | N1m | 6,5 | 1,2 | ||||
| Тортонский | N1t | 11,2 | 4,7 | |||||
| Серравалийский | N1s | 15,1 | 3,9 | |||||
| Лангийский | N1l | 16,6 | 1,5 | |||||
| Будигальский | N1b | 21,8 | 5,2 | |||||
| Аквитанский | N1a | 23,7 | 1,9 | |||||
| Палео- геновый (Палеоге- новая) | Олигоценовая (Олигоцен) | Хетский | | 30,0 | 6,3 | Появление первых человекообразных обезьян. | ||
| Рюпельский | | 33,7 | 3,7 | |||||
| Латторфский | | |||||||
| Эоценовая (Эоцен) | Приабонский | | 40,0 | 6,3 | Появление первых «современных» млекопитающих | |||
| Бартонский | | 43,6 | 3,6 | |||||
| Лютетский | | 52,0 | 8,4 | |||||
| Ипрский | | 57,8 | 5,8 | |||||
| Палеоценовая (Палеоцен) | Танетский | | 60,6 | 2,8 | ||||
| Монский | | 63,6 | ||||||
| Датский | | 66,4 | 2,8 | |||||
| Мезозойская MZ | Меловой (Меловая) K | Поздняя (Верхний) | Маастрихтский | K2m | 74,5 | 8,1 | Появление первых плацентарных млекопитающих и цветковых растений. В конце периода - вымирание динозавров, ихтиозавров, плезиозавров и аммонитов | |
| Кампанский | K2km | 9,5 | ||||||
| Сантонский | K2st | 87,5 | 3,5 | |||||
| Коньякский | K2k | 88,5 | 1,0 | |||||
| Туронский | K2t | 2.5 | ||||||
| Сеноманский | K2c | 97,5 | 6,5 | |||||
| Ранняя (Нижний) | Альбский | K1al | 15,5 | |||||
| Аптский | K1a | |||||||
| Барремский | K1br | |||||||
| Готеривский | K1g | |||||||
| Валанжинский | K1v | |||||||
| Берриасский | K1b | |||||||
| Юрский (Юрская) J | Поздняя или Мальм (Верхний) | Титонский (Волжский) | J3t (J3v) | Появление сумчатых млекопитающих и первых птиц. Расцвет динозавров | ||||
| Кимериджский | J3km | |||||||
| Оксфордский | J3o | |||||||
| Средняя или Доггер (Средний) | Келловейский | J2cl | ||||||
| Батский | J2bt | |||||||
| Байосский | J2b | |||||||
| Ааленский | J2a | |||||||
| Ранняя или Лейас (Нижний) | Тоарский | J1t | ||||||
| Плинсбахский | J1p | |||||||
| Синемюрский | J1s | |||||||
| Геттангский | J1h | |||||||
| Триасовый (Триасовая) T | Поздняя (Верхний) | Рэтский | T3r | Первые динозавры и яйцекладущие млекопитающие | ||||
| Норийский | T3n | |||||||
| Карнийский | T3k | |||||||
| Средняя (Средний) | Ладинский | T2l | ||||||
| Анизийский | T2a | |||||||
| Ранняя (Нижний) | Оленекский | T1o | ||||||
| Индский | T1i | |||||||
| Палеозойская PZ | Пермский (Пермская) P | Поздняя (Верхний) | Татарский | P2t | Вымерло около 95 % всех существовавших видов (массовое пермское вымирание) | |||
| Казанский | P2kz | |||||||
| Уфимский | P2u | |||||||
| Ранняя (Нижний) | Кунгурский | P1k | ||||||
| Артинский | P1ar | |||||||
| Сакмарский | P1s | |||||||
| Ассельский | P1a | |||||||
| Каменно- угольный или Карбон (Каменноугольная) C | Поздняя (Верхний) | Гжельский | C3g | Появление деревьев и пресмыкающихся | ||||
| Касимовский | C3k | |||||||
| Средняя (Средний) | Московский | С2m | ||||||
| Башкирский | С2b | |||||||
| Ранняя (Нижний) | Серпуховский | C1s | ||||||
| Визейский | C1v | |||||||
| Турнейский | C1t | |||||||
| Девонский (Девонская) D | Поздняя (Верхний) | Фаменский | D3fm | Появление земноводных и споровых растений | ||||
| Франский | D3f | |||||||
| Средняя (Средний) | Живетский | D2zv | ||||||
| Эйфельский | D2ef | |||||||
| Ранняя (Нижний) | Эмский | D1e | ||||||
| Зигенский | D1zg | |||||||
| Жединский | D1z | |||||||
| Силурийский (Силурийская) S | Поздняя (Верхний) | Пржидольский | S2p | Выход жизни на сушу: скорпионы и позже первые растения | ||||
| Лудловский | S2ld | |||||||
| Ранняя (Нижний) | Венлокский | S1v | ||||||
| Лландоверийский | S1l | |||||||
| Ордовикский (Ордовикская) O | Поздняя (Верхний) | Ашгиллский | O3as | |||||
| Средняя (Средний) | Карадокский | O2k | ||||||
| Лландейльский | O2ld | |||||||
| Лланвирнский | O2l | |||||||
| Ранняя (Нижний) | Аренигский | O1a | ||||||
| Тремадокский | O1t | |||||||
| Кембрийский (Кембрийская) | Поздняя (Верхний) | Аксайский | | Массовый расцвет многоклеточных. Появление большого количества новых групп организмов («Кембрийский взрыв»). | ||||
| Сакский | | |||||||
| Аюсокканский | | |||||||
| Средняя (Средний) | Амгинский | | ||||||
| Майский | | |||||||
| Ранняя (Нижний) | Тойонский | | ||||||
| Ботомский | | |||||||
| Атдабанский | | |||||||
| Томмотский | | |||||||
| П Р О Т Е Р О З О Й | ||||||||
| Поздний(Верхний)Протерозой или Рифей PR2 | Венд V | Эдиакарская(Эдиакарский) | Первые многоклеточные животные. | |||||
| Лапландская(Лапландский) или Криогений | Одно из самых масштабных оледенений Земли. | |||||||
| Поздний (Верхний) Рифей | Тоний | |||||||
| Средний Рифей | Стений | |||||||
| Эктазий | ||||||||
| Ранний (Нижний) Рифей | Калимий | |||||||
| Ранний (Нижний) Протерозой PR1 | Статерий | |||||||
| Орозирий | ||||||||
| Риасий | ||||||||
| Сидерий | ||||||||
| А Р Х Е Й | Неоархей | |||||||
| Мезоархей | ||||||||
| Палеоархей | ||||||||
| Эоархей | ? Возникновение жизни на Земле. Появление примитивных одноклеточных организмов | |||||||
| Г А Д Е Й | ? 4,57 млрд. лет назад — формирование Земли |
Стратиграфия (лат. Stratum – слой, grapho – пишу) это раздел исторической геологии, занимающийся изучением исторической последовательности, первичных взаимоотношений и географического распространения осадочных, вулканогенно-осадочных и метаморфических образований, слагающих земную кору и отражающих естественные этапы развития Земли и населявшего её органического мира. Следовательно, стратиграфия занимается изучением слоистых, пластующихся или стратифицированных образований, прежде всего осадочных пород, устанавливает их временные и пространственные соотношения. К ней лучше всего подходит термин, которым пользовался М.В. Ломоносов – «наука о слоях земных».
Задачи стратиграфии. 1 - расчленение конкретных разрезов и составление местной стратиграфической схемы; 2 - корреляция (сопоставление) отдельных слоёв и толщ удалённых друг от друга разрезов. Создание сводной (региональной) стратиграфической схемы. 3 - проведение межрегиональной и глобальной корреляции. Создание общей (планетарной) стратиграфической шкалы.
Стратиграфический метод. При стратиграфических исследованиях осуществляют 2 последовательные операции: 1- расчленение разреза на отдельные подразделения (слои, пачки, горизонты и т.д.) на основании различий состава горных пород и заключённых в них ископаемых органических остатков, а также проявлений перерывов и несогласий; 2- сопоставление или стратиграфическую корреляцию в разных разрезах слоёв, пачек, горизонтов, т.е. установление их геологической одновозрастности по латерали.
Фактческая основа стратграфических исследований. Конкретные геологические объекты – естественные или искусственные обнажения горных пород и керн скважин, а также определяемые геофизическими методами (электро-, сейсмо-, и другой каротаж) изменения физических свойств горных пород в скважинах. После обобщения ряда частных геологических разрезов составляется сводная стратиграфическая колонка, в которой все слои горных пород располагаются в строгой последо-вательности своего образования и залегания, т.е. в определённом хронологическом порядке, обычно от более древних внизу к более молодым вверху.
Контрольные вопросы:
1. Какими методами изучают возраст пород?
2. Что такое абсолютная геохронология?
3. Как определяют абсолютный возраст пород?
4. Как определяют относительный возраст пород?
5. Что такое руководящие ископаемые остатки?
6. Что такое стратиграфия?
7. Какие подразделения входят в кайнозойскую эру?
8. Перечислите периоды мезозойской эры.
9. Перечислите периоды палеозойской эры.
10. Что входит в состав докембрия?
11. Что такое «кембрийский взрыв»?
Тема 5:
Эндогенные процессы
ЭНДОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ (а. endogenous processes; н. endogene Vorgange; ф. processus endogenes, processus endogeniques; и. procesos endogenos) — геологические процессы, связанные с энергией, возникающей в недрах Земли.
К эндогенным процессам относятся тектонические движения земной коры,магматизм, метаморфизм, сейсмическая активность. Главными источниками энергии эндогенных процессов являются тепло и перераспределение материала в недрах Земли по плотности (гравитационное дифференциация).
Глубинное тепло Земли, по мнению большинства учёных, имеет преимущественно радиоактивное происхождение. Определённое количество тепла выделяется и при гравитационной дифференциации. Непрерывная генерация тепла в недрах Земли ведёт к образованию потока его к поверхности (тепловой поток). На некоторых глубинах в недрах Земли при благоприятном сочетании вещественного состава, температуры и давления могут возникать очаги и слои частичного плавления. Таким слоем в верхней мантии является астеносфера — основной источник образования магмы; в ней могут возникать конвекционные токи, которые служат предположительного причиной вертикальных и горизонтальных движений в литосфере. Конвекция происходит и в масштабе всей мантии, возможно, раздельно в нижней и верхней, тем или иным способом приводя к крупным горизонтальным перемещениям литосферных плит. Охлаждение последних ведёт к вертикальным опускания. В зонах вулканических поясов островных дуг и окраин континентов основные очаги магм в мантии связаны со сверхглубинными наклонными разломами (сейсмофокальные зоны Вадати-Заварицкого-Беньоффа), уходящими под них со стороны океана (приблизительно до глубины 700 км). Под влиянием теплового потока или непосредственно тепла, приносимого поднимающейся глубинной магмой, возникают так называемые коровые очаги магмы в самой земной коре; достигая приповерхностных частей коры, магма внедряется в них в виде различных по форме интрузивов (плутонов) или изливается на поверхность, образуя вулканы.
Гравитационная дифференциация привела к расслоению Земли на геосферы разной плотности. На поверхности Земли она проявляется также в форме тектонических движений, которые, в свою очередь, ведут к тектоническим деформациям пород земной коры и верхней мантии; накопление и последующая разрядка тектонических напряжений вдоль активных разломов приводят к землетрясениям.
Оба вида глубинных процессов тесно связаны: радиоактивное тепло, понижая вязкость материала, способствует его дифференциации, а последняя ускоряет вынос тепла к поверхности. Предполагается, что сочетание этих процессов ведёт к неравномерности во времени выноса тепла и лёгкого вещества к поверхности, что, в свою очередь, может объяснить наличие в истории земной коры тектономагматических циклов. Пространственные неравномерности тех же глубинных процессов привлекаются к объяснению разделения земной коры на более или менее геологически активные области, например на геосинклинали и платформы. С эндогенными процессами связано формирование рельефа Земли и образование многих важнейших полезных ископаемых.