Лекция №2 Тема: Внутренние строение, плотности, температуры и радиоактивности земли. Химический и минеральный состав земли. Общие сведения о минералах. Физические и механические свойства минералов

Лекция № 2
Тема: Внутренние строение, плотности, температуры и радиоактивности земли. Химический и минеральный состав земли. Общие сведения о минералах. Физические и механические свойства минералов.
План:

1. 
   Форма и размеры Земли.
   
2. 
   Внешние и внутренние геосферы.
   
3. 
   Плотности, температуры и радиоактивности земли.
   
4. 
   Химический и минеральный состав земли.
   
5. 
   Понятие о минералах
   
6. 
   Происхождение минералов.
   
7. 
   Эндогенные и экзогенные процессы минералообразования.
   
8. 
   Значение минералов и их исследования в отрослах народного хозяйства.
   
9. 
   Физические и механические свойства минералов.
   

Ключевые слова:Геоид, сфероид, физическая поверхность, эллипсоид, полярный радиус, экваториальный радиус, гравитация, магма, мантия, ядро, литосфера, тропосфера, стратосфера.

Геодезические измерения показали , что упрошенная форма Земли приближается к эллипсоиду вращения т.е. сфероиду. Полярный радиус - R_п=6356,8 км, экваториальный - R_п =6378,2 км . Детальные измерения показали , что Земля имеет более сложную форму . Это форма , свойственная только Земле , получила название – геоида . Такую форму Земли может быть получена мысленным продолжением поверхности Мирового океана (уровенной поверхности) под континенты . Именно уровенная поверхность геоида принимается за базовую при отсчете высот в топографии , геодезии и маркшейдрии (рис. 3.1.) .

Рис. 3.1. Поверхность рельефа т.е. физическая поверхность
(1) поверхность геоида (2) , поверхность сфероида (3).

Поверхности геоида и сфероида не совпадают , и расхождение между ними до ±160 m.

Земная поверхность 70,8% покрыта водой, остальная часть – 29,2% приходится на сушу. Высшая абсолютная отметка суши (горы Эверест в Гималаях) составляет 8848 m. Наиболее низкая – 11022 m (Марианская впадина в Тихом океане). Разница высотных отметок – около 20 км.
Земля – характеризуется оболочечным строением с центральной симметрией. Все оболочки (геосферы) Земли различаются по своему составу, физическим свойствам и состоянию вещества. Геосферы можно разделить на внешние и внутренние. Внешние доступны для изучения человеком . А внутренние – недоступны , и исследуются косвенными методами .
Внешние оболочки Земли – атмосфера, гидросфера и биосфера. Они являются характерной составной частью нашей планеты, отличающей её от других планет Солнечной системы . Атмосфера Земли – воздушная среда вокруг Земли , вращающаяся вместе с ней. Масса атмосферы около 5,5·10^{15 } т
Состав её на поверхности Земли: азот – 78,1% , кислород – 21% , аргон – 0,9%, углекислый газ – 0,03% , водород – 0,00005% , гелий – 0,005% , неон – 0,0018%. Водяной пар – от 0,05 до 4% . Суммарный объем воды в атмосфере около – 13·10³км³. Нижний слой атмосферы – тропосфера до высоты 8 – 12 км над средними широтами и до 17 км над экватором.
Слой атмосферы от 14 км до 50 – 55 км называется стратосферой. В пределах стратосферы располагается озоновый слой мощностью 25 – 30 км , который поглощает большую часть ультрафиолетовой радиации Солнца, губительной для живых организмов.
Выше 50 – 55 км располагается ионосфера. Вся зона состоит из ионизированного под действием ультрафиолетового излучения воздуха, обладающего способностью проводить электрический ток. Верхняя граница атмосферы находится на высоте 1300 км. Выше её состав приближается к составу межпланетного пространства.
Гидросфера состоит из океаносферы , воды суши и ледников . Промежуточное положение занимают подземные воды, тесно связанные с водами гидросферы . Общая масса гидросферы составляет 1644·10¹⁵т , что не превшает 0,025% общей массы Земли.
Биосфера – сфера обитания и жизнидеятельности живых организмов , охвативающая нижнюю часть атмосферы – тропосферу, гидросферу и литосферу (верхнюю часть поверхности земной коры).
Биомасса Земли состовляет 0,1% массы земной коры и оцениваетса приблизительно в 2,4·10¹⁵т . Биомасса на суше распределена неровномерно и увеличивается от полюсов к экватору. Образуется 266·10⁹т кислорода главным образом , за счет биомассы Мирового океана. Следовательно, биосфера – одна из важнейших оболочек, существенно влияющая на окружающую среду.
Живому веществу свойственны следующие функции : дыхание, фотосинтез, фиксация азота , окислительно-восстановительная концентрационная. Процесс фотосинтеза происходит по следующей схеме
[ ].
Он вовлекает в круговорот огромные массы вещества и является важнейшим результатом геохимических процессов. Масштабы геохимической деятельности организмов огромные. Так ежегодная продукция живого вещества составляет 232,5·10⁹т сухого органического вещества. В фотосинтез вовлекается 46·10⁹т углерода.
Непосредственному исследованию доступны лишь самые верхние горизонты земной коры, выходящие на поверхности или вскрытые горными выработками и скважинами (глубина которых не более 12,5 км). Строение более глубоких недр изучается геофизическими методами (сейсмическими и др.)
На основании геофизических исследований Земли условно разделяют на три оболочки : кору, мантию и ядро (в центре). Эта модель строения Земли разработана сейсмологами Х. Джефрисом и Б. Гутенбергом в первой половине ХХ века.
В 1909 году югославский сейсмолог А. Мохровичич определяет границы земной коры и мантии Земли.

Рис. 3.2. Внутреннее строение Земли.

На основании новых сейсмологических данных разработана (австралийским сейсмологом К.Е. Булленом) новая модель, используемая в настоящее время (рис.3.2). Согласно этой модели Земля разделена на зоны, обозначенные буквами: А – земная кора; В – зона в интервале глубин 33 – 413 км (верхняя мантия); С – на 413-984 км (переходная зона); D – зона 984 – 2898 км (нижняя мантия); E – зона 2898 – 4982 км (внешнее ядро);F – зона 4982 – 5121 км (переходная зона); G – зона 5121 – 6371 км (внутреннее ядро).

Ядро Земли делится на внешнее и внутреннее (субъядро). Температура в центре ядро Земли, по-видимому, достигает 5000ºC, плотность 12,5 г/см³, давление до 361 ГПа. Предполагают, что субъядро – твердое, а внешнее ядро – жидкое, его плотность 10 г/см³. Предполагают что, внешнее ядро состоит из серы (12%) и железа (88%). С помощью сейсмических методов обнаружено наличие твердого внутреннего ядро, на долю которого приходится 1,7% массы Земли и предположительно состоящего из железоникелевого сплава (80% Fe, 20% Ni).
Мантия Земли расположена между земной корой и ядром Земли на глубине 35 – 2900 км. Верхнее её граница походит на глубине от 5 – 10 до 70 км по границе Мохоровича , а нижняя – на глубине 2900 км по границе Вихерта – Гутунберга. Мантия составляет 83% объема Земли.
К верхней части мантии, к слою B, относятся выходы на поверхность интрузивных магматических ультраосновных горных пород , главным образом пердотитов и пород , заполняющих алмазоносные трубки , встречаютсявключе-ния высокометаморфизованных пород , называемых эклогитами , близкими посоставу основной глубинный магматической породе – габбро, но отличающимися от неё значительной плотностью (3,35 - 4,2 г/см³). Последнее свидетельствует, что они могли формироваться только при больших давлениях.
В нижнее мантии происходит распад железисто-магнезиальных силикатов на оксиде, обладающей плотнейшей упаковкой: (корунд), (периклаз) , (гематит) , (рутил) , (стишовит).
Земная кора – эта верхняя каменная оболочка Земли, сложенная магматическими, метаморфическими и осадочными породами и имеющая мощность от 7 до 70 – 80 км. Она представляет собой наиболее активный слой твердой Земли – сферу деятельности магматических и тектонических процессов. Нижняя граница земной коры как бы зеркально повторяет поверхность Земли. Под материками она глубоко опускается в мантию, под океанами приближается к поверхности Земли.
В литературе часто встречается термин «Литосфера», который иногда ошибочно понимается как синоним понятия «Земная кора». Литосфера – это верхняя каменная оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю мантию до кровли астоноферы. Она объединяет слои планеты, близкие по физическим свойствам и агрегатному состоянию вещества.
В химическом составе земной коры преобладают такие элементы. Как кремний и алюминий, поэтому её нередко называют сиалистической оболочкой. Состояние вещества твердое и кристаллическое.
Осадочная оболочка – образует верхний слой и сложена осадочными и вулканогенно-осадочными породами: глинами и глинистыми сланцами (42%), песчаными (20%), вулканогенными (19%) и карбонатными (19%) породами. Мощность осадочного слоя (оболочки) изменяется от 0 – (на шиитах) до 20 – 25 км (в глубоких впадинах). Средняя плотность пород осадочного чехла – 2,45 g/sm³.
Гранитная оболочка (гранито-гнейсовая, гранито-метаморфическая), названная так по сходству свойств образующих её пород со свойствами гранитов, сложена гнейсами (37%), гранодиоритами, диоритами (20%), гранитами (18%), амфиболитами (10%), кристаллическими сланцами (9%), а также габбро, мраморами, сиенитами и др. Горные породы гранитной оболочки разнообразны по вещественному составу и степени дислоцированности. Плотность гранитного слоя в среднем составляет около 2,7g/sm³ . Мощность гранитного слоя 10 – 25 км (возможно его полное отсутствие).
Базальтовая оболочка (гранулит-базитовая) состоит из более тяжелых кристаллических пород, которые по своим свойствам близки земным базальтам – магматическим породам. В отдельных местах между базальтовым слоем и мантией залегает эклогитовый слой с более высокой плотностью, чем породы базальтового слоя.
Средняя плотность пород базальтового слоя 2,9 г/см³. Средняя мощность базальтового слоя около 20 км, отдельных районах (под горными хребтами) может достигать 30 – 40 км. Известны участки (Прикаспийская синеклиза, Днепро-Донецкая впадина и др.), где мощность базальтового слоя снижается до 12 – 13 и даже 5 – 7 км.
Гравитационное поле Земли. Все тела и предметы, находятся на поверхности Земли, испытывают её притяжения. Пространства, в пределах которого проявляются силы притяжения Земли, называется полем силы тяжести или Гравитационным полем. Величина силы тяжести выражается в галах (в честь Галилея, впервые измерившего ускорения силы тяжести): 1гал=1см/с². Среднее значение силы тяжести на поверхности Земли равно 979,7 гал.
Различают положительные и отрицательные гравитационные аномалии. Положительные гравитационные аномалии наблюдаются, когда в недрах земной коры залегают плотные массы (например, железные руды и др.); отрицательные гравитационные аномалии вызываются залеганием «лёгких» масс (например, залежей угля, гипса, калийных солей и т.д.). Гравитационные аномалии выявляются с помощью высокочувствительных приборов – гравиметров и вариометров. По данным измерений силы тяжести составляются карты, которые оказывают большую помощь в поисках месторождений полезных ископаемых. Практическое значение изучения гравитационных полей состоит в выявлении особенностей строения Земной коры и тектонического районирования Земной коры, а также выявлении провинций и областей распространения месторождений полезных ископаемых.
Магнитное поле Земли – это свойство Земли, обусловливающее существование вокруг Земного шара и внутри него магнитного поля. В настоящее время широким признанием пользуется теория происхождения земного магнетизма, предложенная Эльзассером – Френкелем (1956 г.). Согласно этой теории жидкое ядро во вращающейся Земле действует как самовозбуждающаяся динамомашина. При этом ось вращения Земли и средняя ось магнитного поля Земли должны совпадать, т.е. смещение во времени геомагнитных полюсов происходит одновременно со смещением географических полюсов – вывод очень важный для геологии.
Изучение остаточного магнетизма и близких к ним географических полюсов на протяжение геологической истории Земли менялось весьма существенно (в позднем палеозое, например, полюса находились в современной экваториальной области, где имело место мощное покровное оледенение) .
Тепловое поле и радиоактивность Земли. Тепловой режим Земли определяется двумя источниками: теплом, получаемым от Солнца, и собственным теплом планеты, достигающим поверхности от разогретых недр. Солнечный нагрев Земли составляет 99,5% всей суммы тепла, получаемого её поверхностью, а на долю внутреннего нагревания приходится всего 0,5%. Прогрев солнечными лучами за год распространяется в глубь Земли самое большое на 8 – 30 m. Однако, тепловая энергия солнечной радиации приводит в движение воздушные массы атмосферы и способствует кругообороту воды на поверхности Земли, который является инструментом экзогенных геологических процессов.
Источниками внутреннего тепла Земли являются: радиоактивный распад элементов; энергия гравитационный дифференциации вещества; остаточное тепло, сохранившееся со времён формирование планеты и др. Установлена, что наиболее важным из них является радиоактивность химических элементов Земли. При радиоактивном распаде кинетическая энергия  α– частиц, ядер отдачи и  γ- излучения превращаются в тепловую энергию.
Ниже после постоянной температуры следует зона термии. В зоне геотермии температура повышается с глубиной, что связана с геотермическим градиентом. Геотермическим градиентом называется величина, выражаемая в ºС/m, которая характеризует возрастание температуры горных пород с глубиной. Геотермическая ступень – изменяется от 10 до 100 m/ºС.
Радиоактивность горных пород – это способность к радиоактивному излучению горных пород, содержащих минералы радиоактивных элементов (урана, тория, радия и др.), а также химические элементы, изотопы которых радиоактивны (технеций, прометий, полоний и др.). При распаде этих элементов выделяется теплота, в значительной степени определяющая тепловой режим Земли. Учённые установили, что наблюдается умещение количества радиоактивных элементов с глубиной. Хотя Уран – очень тяжелый металл (плотность18,7 g/sm³) т.е. в 2,5 раза больше плотности железа (7,86 g/sm³), слагающего ядро Земли. Поэтому такое распределение тяжелых и лёгких элементов остаётся не выяснённой в науке (В.И.Вернадский).
Радиоактивные элементы (²⁷⁶Ra, ²³⁸U, ²³²Тh, ⁴⁰K) содержатся во всех горных породах в незначительных количествах до глубины 70 – 90 км. Их количество резко снижается при переходе от кислых к основным и ультраосновным. Известно что 1г урана выделяет – 9,2^-5 кал/h, а 1g тория -2,2·10^-5кал/h.
Практическое использование тепла Земли. Условиям добычи геотермальные источники) и петротермальные (теплосодержащие горные породы). Изучение теплового поля Земли необходимо для прогнозирования условий подземной разработки месторождений полезных ископаемых.
Проблемами химического состава земной коры, закономерностями его изменения в пространстве и во времени занимается наука геохимия. Известно, что горные породы состоят из минералов, а минералы из химических элементов. Большинство химических элементов являются сложными, т.е. имеют несколько изотопов.
Элемент – это вид атомов с определенным зарядом ядра. Ядро состоит из протонов (положительно заряженных частиц) и не имеющих заряда нейтронов. Разновидности атомов с одинаковым числом протонов (т.е. зарядом ядро) и различных количеством нейтроном называются изотопами (т.е. занимающий одно и то же место в Периодической системе элементов).
По данным Виноградова, в состав земной коры входят следующие элементы – O, Si, Al, Fe, Ca, Na, KиMg, которые составляют почти 99% её массы. Земная кора состоит почти исключительно из кислородных соединений, особенно из силикатов алюминия, кальция, магния, натрия, калия и железа.

1.