Строение и средний состав Земли

Природные процессы рудообразования – это самые сложные процессы. Они происходили и происходят в течение всех геологических эпох Земли и происходят в настоящее время. Они меняются во времени и во многом определяются тектоническими условиями существования Земли. Сложность условий рудообразования в том, что часть рудных месторождений образуется в глубинах магматических очагов Земли, другая на ее поверхности, в земной коре. В течение геологической истории происходит последовательное разрушение, эволюционное изменение и рождение новых месторождений, которые также в геологическом исчислении недолговечны. Все процессы минералообразования взаимосвязаны и, тем не менее, поражает однотипность тех или иных месторождений. Для того чтобы ориентироваться в сложной геологической системе взаимосвязи процессов появления и исчезновения рудных месторождений необходимо представлять внутреннее строение Земли и связанные с ней процессы, особенно физико-химические и геотектонические.

Понятно, что процессы рудообразования в первую очередь связаны с вулканической деятельностью. Полезные ископаемые выносятся на поверхность земли с магмой, газово-жидкими растворами. (О механизме этих и других процессов рудообразования позже). Все процессы рудообразования непосредственно связаны с геотектоническим состоянием Земли. О ее составе и свойствах имеются только предположительные сведения, поскольку непосредственному наблюдению доступна лишь самая верхняя часть земной коры. Данные о внутреннем составе и строении Земли имеют дискуссионный характер. Наиболее достоверные данные получены при использовании сейсмического метода, основанного на изучении путей и скорости распространения в земле сейсмических волн. С их помощью удалось составить представление о внутреннем строении Земли.

Земная кора (верхняя сфера) самая сложная по составу и делится на три слоя: верхний – осадочный (до 20 км), средний – гранитный (10-40 км) и нижний – базальтовый (до 70 км). Под океанами осадочный слой имеет толщину всего в несколько сотен метров. Гранитный слой, как правило, отсутствует. Вместо него существует слой неясной природы (1,0-2,5 км). Мощность базальтового слоя под океанами в отличие от земной коры достигает только 5 км. Под базальтовым слоем залегает мантия. С помощью сейсмических методов четко установлено, что между земной корой и мантией существует поверхность раздела, названная поверхностью Махаровича.

Мантия состоит из трех слоев (В, С, Д, рис.1) и простирается от поверхности Махаровича до глубины 2900 км, где она граничит с ядром Земли. Слои В и С образуют верхнюю мантию толщиной 850-900 км, слой Д - нижнюю мантию (около 2000 км). Верхнюю часть мантии (слой В), залегающий непосредственно под корой называют субстратом. Кора вместе с субстратом образует литосферу. Нижняя часть верхней мантии (С) названа именем открывшего ее сейемолога Б. Гутенберга. Скорость распространения сейсмических волн в пределах слоя Гутенберга несколько меньше, чем в выше- и нижележащих слоях. Это явление объясняют повышенной текучестью его вещества. Этот слой является сейсмическим волноводом, поскольку сейсмические волны долгое время идут вдоль него. Лежащий ниже слой является зоной быстрого нарастания скоростей сейсми-ческих волн, как продольных, так и поперечных.

Земное ядро имеет средний радиус около 3,5 тыс.км. и делится на внешнее ядро (слой Е) и субъядро (слой G) с радиусом около 1,3 тыс.км. Их разделяет переходная зона (слой F) толщиной около 300 км, которую относят обычно к внешнему ядру. На границе мантии и ядра наблюдается скачкообразное падение скорости продольных сейсмических волн. Внутри ядра скорость возрастает, увеличиваясь скачком вблизи границы с субъядром. В субъядре сейсмические волны распространяются с неизменной скоростью.

Неодинаковы и физические характеристики различных слоев Земли. С глубиной в Земле изменяются значения величин силы тяжести, плотности, давления, вязкости и температуры.

В земной коре и верхней мантии температура повышается с глубиной. Из мантии к поверхности Земли идет тепловой поток несколько меньший поступающего тепла от Солнца. В мантии температура везде ниже температуры полного расплавления слагающего ее материала. Под материковой корой она предполагается близкой к 600-700°С. В слое Гутенберга температура, по-видимому, близка к точке плавления (1500-1800°С). Оценка температур для более глубоких слоев мантии и ядра Земли носит предположительный характер. По-видимому, в ядре она не превышает 4000-5000°С, а давление может достигать 3,5 млн. атм.

Вязкость материала мантии выше и ниже слоя Гутенберга порядка 1023 n3 (1 n3 = 0,1 н×сек/м2), вязкость же материала самого слоя понижена, около (1019-1021 n3). Считается, что благодаря этому в слое Гутенберга возможно происходит медленное перетекание материальных масс в горизонтальном направлении, может быть под влиянием неравно-мерной нагрузки со стороны земной коры. Считается, что вязкость внешнего ядра на много порядков меньше вязкости мантии.

Из современных космогенических гипотез и сравнительных данных о химическом составе Солнца, ряда планет, метеоритов и лунных пород в общих чертах охарактеризован общий состав Земли и отдельных ее геосфер. По подсчетам американского геохимика Б. Мейсона количественный анализ химических элементов Земли можно представить в виде таблицы 1. При этом предполагается, что ядро состоит из железо-никилевого сплава подобно металлической фазе хендритов (метеоритов).

Таблица 1

Химический состав Земли

Химический элемент	Содержание в весовых процентах
Железо	34,63
Кислород	29,53
Кремний	15,20
Магний	12,70
Никель	2,39
Сера	1,93
Кальций	1,13
Алюминий	1,09
Натрий	0,57
Хром	0,26
Марганец	0,22
Кобальт	0,13
Фосфор	0,10
Калий	0,07
Титан	0,05

В составе Земли преобладают (по массе) железо, кислород, кремний и магний. В сумме они составляют более 90% массы Земли. Земная кора почти наполовину состоит из кислорода и более чем на четверть из кремния. Значительная доля принадлежит также алюминию, магнию, кальцию, натрию и калию. Кислород, кремний, алюминий образуют наиболее распространенные в земной коре соединения с кремнеземом (SiO2) и глиноземом (Al₂O₃).

Мантия состоит преимущественно из тяжелых минералов, богатых магнием и железом. Они образуют с SiO₂ силикаты. В субстрате, по-видимому, больше содержание форстерита (Mg₂SiO₄), глубже фаялита (Fe₂SiO₄). Предполагается, что в нижней мантии эти минералы под влиянием очень высокого давления разлагаются на отдельные оксиды (SiO2, MgO, FeO).

Агрегатное состояние вещества земных недр обусловлено наличием высоких температур и давления. Материал мантии был бы расплавлен, если бы не высокое давление, вследствие которого все вещество мантии находится в твердом кристаллическом состоянии, за исключением вероятно слоя Гутенберга, где влияние близкой к точке плавления температуры сказывается сильнее, чем действие давления. Полагают, что здесь вещество мантии находится либо в аморфном, либо частично в расплавленном состоянии.

Внешнее ядро, очевидно, находится в жидком (расплавленном) состоянии, поскольку поперечные сейсмические волны, не способные распространяться в жидкости, через него не проходят. С существованием жидкого внешнего ядра связывают происхождение магнитного поля Земли. Субъядро, по-видимому, твердое, т.к. продольные сейсмические волны, подходя к его границе, возбуждают в нем поперечные волны.

Вещество геосфер Земли находится в непрерывном движении и изменении. В различных слоях процессы превращения вещества происходят с различной скоростью. Быстрее всего изменения вещества происходят в геосферах жидкой и газообразной фазах. Гораздо медленнее изменения совершаются во внутренних геосферах, сложенных преимущественно твердым веществом.

Именно изучение их природы и фазовых превращений необходимо для понимания закономерностей рудообразования. Для появления рудного месторождения в доступной части земной коры требуется длительный и сложный путь концентрации вещества. Поскольку и твердые и жидкие составляющие Земли всегда находятся в бесконечном движении, следовательно, и процессы рудообразования представляют собой подвижную систему, поскольку основными поставщиками вещества на земную поверхность являются продукты извержения вулканов. С самого начала подачи вещества из магматического очага в область земной поверхности резко меняет физико-химические условия его существования. За стадией образования следует разрушение, затем процессы растворения и экстракции вещества, его перенос и переотложение в земной коре. И здесь очень эффективным является гидротермальный процесс, процесс высокоподвижный, часто агрессивный, способный разрушать минералы, экстрагированные металлы, переносить их на большие расстояния, отлагая на новых площадях, образуя месторождения полезных ископаемых. Необходимо отметить, что в приповерхностных частях земной коры смысл формирования месторождений в большой степени зависит от процесса концентрации полезных ископаемых из их рассеянного состояния в горных породах и минералах.

Дата добавления: 2015-07-21