Вещественный состав Земли

Под вещественным составом понимается химический (химические элементы), минералогический (минералы) и петрографический (горные породы) состав земной коры.

Химический состав земной коры — химические элементы

Химический состав земной коры изучает наука геохимия. Для установления ее состава исследуют горные породы, выходящие на поверхность и взятые из горных выработок и керна скважин. Непосредственному наблюдению земная кора доступна на глубину до 10 км, а в складчатых областях исследуются породы, выведенные на поверхность с глубины 15—20 км. Впервые попытка определения химического состава земной коры была сделана 150 лет назад английским минералогом Филипсом. В XIX в. этой проблемой начал заниматься американский исследователь Ф. В. Кларк, посвятивший ей 50 лет жизни. Путем обработки 6000 химических анализов магматических пород он вычислил содержания 50 главнейших химических элементов. Позднее данные, полученные Ф. В. Кларком, уточнялись и дополнялись многими учеными-геохимиками — В. М. Гольдшмидтом, А. Е. Ферсманом, В. И. Вернадским, А. П. Виноградовым и др. В знак признания особой роли американского исследователя средние содержания отдельных химических элементов в земной коре названы кларком. Кларки принято выражать в весовых или атомных процентах.

Кларки наиболее распространенных химических элементов в земной коре по данным акад. А. П. Виноградова (вес. %):

кислород — 47,20, железо —5,10, калий — 2,64, водород — 0,15, кремний — 27,60, кальций — 3,60, магний —2,10, углерод — 0,10, алюминий — 8,30, натрий — 2,64, титан — 0,60.

Из 93 химических элементов, установленных в земной коре, 99,99% приходится на 11 вышеназванных элементов и лишь 0,01% составляют остальные 82 элемента. Среди химических элементов выделяют элементы: литофилъные (слагающие горные породы), халъкофилъные (образующие сульфиды), сидерофилъные (типичные металлы, а также С и Р), редкие к рассеянные (встречающиеся очень редко), радиоактивные и др.

Минеральный состав земной коры — минералы

Большинство элементов в земной коре образуют химические соединения, называемые минералами. Возникают они в различной физикохимической обстановке как при экзогенных, так и эндогенных процессах. Наука, занимающаяся изучением минералов, называется минералогией.

Минерал («минера» — рудный штуф, кусок руды) — природное химическое соединение, образующееся в земной коре в результате различных физико-химических процессов. Минералы являются составными частями горных пород и руд и отличаются друг от друга по химическому составу и физическим свойствам. В настоящее время известно около 6000 минералов, многие из которых редкие. Наиболее распространенными являются примерно 100—150 минералов.

Определение минералов требует знаний их химического состава (классификации), свойств и условий образования [16].

Классификация минералов

В основе приведенной ниже систематики лежит классификация американского ученого А. Дэна. В данном варианте схема классификации упрощена. Все природные образования делятся на две большие группы: органические (различные соединения углерода, исключая карбонаты) и неорганические (соединения химических элементов).

Ниже рассмотрена классификация неорганических минералов. Эти соединения систематизируются по химическому составу и кристаллической структуре:

• 1. Самородные минералы.
• 2. Галогениды.

• 3. Сернистые соединения: сульфиды и их аналоги, сульфосоли.
• 4. Оксиды: простые и сложные оксиды, гидрооксиды.
• 5. Соли кислородных кислот: карбонаты, сульфаты, фосфаты, вольфраматы, силикаты.

Минералы определяются с помощью диагностических признаков.

1. Диагностические признаки минералов.

Морфология минералов. Подавляющее большинство минералов — это кристаллические вещества, при свободном росте они принимают вид кристаллических многогранников, форма которых зависит от внутреннего строения минералов.

По облику (внешнему виду) кристаллов различают минералы: изометричные — имеющие одинаковые размеры в 3 направлениях: кубы, октаэдры (галенит, гранат, алмаз);

удлиненные — вытянутые в 1 направлении: призматические, игольчатые, волокнистые (пироксен, антимонит, гипс);

уплощенные — вытянутые в 2 направлениях: пластинчатые, таблитчатые, чешуйчатые, листоватые (дистен, полевые шпаты, слюды);

сложные — древовидные образования — дендриты (медь, серебро, золото).

В большинстве руд и пород минералы встречаются в виде агрегатов — сростков отдельных кристаллов или зерен, форма которых самая различная. По форме среди агрегатов выделяют следующие:

зернистые — состоящие из зерен различных размеров и формы (почти все минералы);

друзы — кристаллы, наросшие на одном основании (кварц, флюорит); секреции — полости, пустоты, заполненные минеральным веществом одного или различного состава и различной степени кристалличности (скрытокристаллические или хорошо ограненные), нарастание которых идет от стенок полости к центру (кварц, кальцит);

конкреции — округлые или овальные стяжения, часто радиальнолучистого строения, встречающиеся среди осадочных пород (пирит, флюорит);

оолиты — сцементированные круглые образования концентрически-зонального строения, образующиеся в осадочном процессе, в водной среде (магнетит, псиломелан);

натечные формы — почковидные, гроздевидные образования, сталактиты, сталагмиты, образующиеся в пустотах или на выходах пород и рудных залежей при их выветривании;

налеты — тонкие пленки или корки на горных породах, образующиеся при окислении рудных минералов (малахит, лимонит);

землистые массы — скопления мельчайших зерен минералов, образующиеся при выветривании и окислении (лимонит, пиролюзит).

Свойства минералов. Свойства минералов, являющиеся отражением их внутреннего строения (химического состава и структуры), более или менее постоянны и служат диагностическими признаками при визуальном определении минералов.

Цвет (окраска) — способность пропускать свет определенной волны. В обычной практике при определении цвета минералов прибегают к сравнительной оценке, сопоставляя его с окраской хорошо известных веществ. Поэтому широко пользуются двойными названиями цветов минералов, например: молочно-белый кварц, желто-зеленый эпидот, карминово-красная киноварь.

Блеск — способность отражать свет от поверхности. По интенсивности выделяют следующие виды блеска:

металлический — самородные металлы (золото, медь, серебро), большинство сульфидов (пирит, галенит, арсенопирит);

полуметаллический — оксиды (хромит, магнетит, гематит); алмазный — самородные неметаллы (алмаз, сера), сульфиды (сфалерит), оксиды (касситерит);

стеклянный — оксиды (кварц, корунд), карбонаты (кальцит, магнезит), галогениды (флюорит), силикаты (гранат, пироксен, амфибол). Разновидность этого вида блеска — жирный (тальк);

матовый — тонкодисперсные минералы, встречающиеся в землистых массах (лимонит, каолинит);

шелковистый — минералы с волокнистым строением (асбест, гипс); перламутровый — минералы со слоистой структурой и весьма совершенной спайностью (слюды).

Цвет черты (порошка) — получают при проведении минералом по бисквиту — неглазурованной фарфоровой пластинке. Цвет черты более постоянен, чем цвет минерала и либо совпадает с ним (черная у магнетита), либо резко отличается (черная у латунно-желтого пирита). Минералы с металлическим или полуметаллическим блеском дают черную или серую черту; с алмазным — окрашенную; со стеклянным — бесцветную или светлую. Не дают черты темноокрашенные минералы с алмазным и стеклянным блеском с твердостью выше 7 (касситерит, гранат, корунд).

Спайность — способность минералов раскалываться по определенным кристаллографическим направлениям, параллельно граням кристаллов, с образованием ровных поверхностей спайности. По степени совершенства проявления спайности различают следующие виды: весьма совершенная — кристалл расщепляется на тончайшие гладкие листочки, получить излом иначе как по спайности весьма трудно (слюды, тальк, гипс);

совершенная — при ударе кристаллы раскалываются только по определенным направлениям с образованием ровных гладких поверхностей, по другим направлениям расколоть их очень трудно (галенит, сфалерит, кальцит, флюорит);

средняя — при расколе образуются гладкие плоскости по спайности и неровные поверхности по другим направлениям (полевые шпаты);

несовершенная — при расколе образуются неровные поверхности, спайные участки редки (касситерит, апатит);

весьма несовершенная — при расколе возникают неровные поверхности, ровные спайные участки отсутствуют (кварц, золото).

Определять спайность нужно на свежем сколе, пользуясь лупой.

Излом — это раскалывание с образованием неровных поверхностей у минералов с весьма несовершенной, несовершенной, средней спайностью. Различают изломы: раковистый (кварц), ступенчатый (кальцит, галенит, полевые шпаты), неровный (апатит, нефелин, пирит), крючковатый (золото, медь, платина).

Твердость — способность оказывать сопротивление внешнему механическому воздействию (царапанию). Для определения относительной твердости существует эталонная шкала Мооса, состоящая из 10-ти минералов, каждый из которых тверже предыдущего. Шкала твердости представлена следующими минералами в порядке возрастающей твердости: 1 — тальк, 2 — гипс, 3 — кальцит, 4 — флюорит, 5 — апатит, 6 — ортоклаз, 7 — кварц, 8 — топаз, 9 — корунд, 10 — алмаз. При определении твердости пользуются также ногтем — 2, медной монетой — 3, стеклом — 5,5, стальной иглой — 6. Твердость резко снижается у минералов, находящихся в землистых массах (гематит в кристаллах — 6, в землистых массах — 1) или подвергшихся выветриванию. В последнем случае для определения твердости выбирают светлую неизмененную поверхность. Иногда за царапину ошибочно принимают след, оставленный мягкими минералами на поверхности твердого, такая «царапина» легко стирается.

Ковкость — способность расплющиваться при ударе (медь, серебро, золото, халькозин); стальная игла оставляют на поверхности минералов, обладающих ковкостью, блестящий след.

Плотность — это отношение массы минерала к массе такого же объема воды при 4 °C, измеряется в г/см³. По плотности минералы делятся на 3 группы: легкие — до 3 г/см³ (гипс, графит), средние — от 3 до 4 г/см³ (пироксен, амфибол), тяжелые — более 4 г/см³. Для рудных минералов средней плотностью считается 5 г/см³ (пирит), высокой — более 6 г/см³ (вольфрамит, касситерит), очень высокой — более 7 г/см³ (золото, медь, серебро). Плотность минералов определяется по весу.

Магнитностъ — способность притягивать железные предметы вследствие высокой намагниченности (магнетит, пирротин). Определяется с помощью магнитной стрелки или магнита. Минералом очень медленно проводят над компасом или прикладывают магнит к минералу.

Растворимость в кислотах — с выделением пузырьков газа — «вскипание» (кальцит, доломит).

Растворимость в воде — характерна для хлоридов (галит, сильвин).

Наиболее распространенные минералы и их свойства приводятся в таблицах № 1—№ 6 [16].

Самородные минералы По особенностям химического состава эти образования делятся на металлы (Au, Ag, Си, Pt) и неметаллы (графит, алмаз, сера). Самородные металлы обладают сильным металлическим блеском, высокой электрои теплопроводностью, ковкостью, ярким цветом, низкой твердостью и очень высокой плотностью.

Таблица 1.2

Галогениды Соединения с хлором (хлориды) и фтором (фториды). Для галогенидов характерны невысокая твердость, растворимость в воде (для хлоридов), стеклянный блеск и совершенная спайность.

Сульфиды Соединения металлов с серой. Большинство сульфидов характеризуются следующими свойствами: металлическим блеском, невысокой твердостью (за исключением пирита и арсенопирита), ковкостью, высокой электрои теплопроводностью.

Оксиды и гидрооксиды Соединения с кислородом, гидроксильной группой ОН или с молекулой воды. В эти соединения входит около 40 элементов.

Соли кислородных кислот (кроме силикатов) К солям кислородных кислот относятся комплексные соединения. Образуют 700 минеральных видов (1/3 всех минералов).

Таблица 1.6

Силикаты Соединения с [Si"O_m] — силикаты и [AlSi"O_m] — алюмосиликаты. К этому классу относится огромное количество минералов. На их долю приходится примерно 1/3 известных минералов. По подсчетам А. Е. Ферсмана силикаты составляют 75% земной коры. Многие силикаты являются важнейшими породообразующими минералами.