Внутреннее строение Земли. Что такое минералы и чем они отличаются от горных пород?

Принято считать, что планета, которую мы называем Земля, образовалась примерно 4,54 млрд. лет назад. Процесс формирования Земли занял около 20 млн. лет, и заключался он в аккреции (аккреция — это процесс приращения массы небесного тела путём гравитационного притяжения на него материи из окружающего пространства) вещества в виде пыли, газа и разнообразных обломков планетоидов на поверхность Протоземли (формирующейся Земли), которая в тот период времени была достаточно сильно раскалена, чтобы расплавлять металлы и минералы. При этом железо и никель, обладая более высокой плотностью по сравнению с силикатами, постепенно опускались к центру формирующейся Земли, в течение около 10 млн. лет сформировав её металлическое ядро, а значительно
позднее — и её магнитное поле. Силикаты же и алюмосиликаты сформировали мантию Земли.

Вулканическая активность и постоянное выделение газов из коры Земли сформировали первоначальную атмосферу планеты, которая состояла преимущественно из двух элементов — водорода и гелия, а также азота, и из таких соединений, как диоксид углерода (углекислый газ) и вода в газообразном состоянии (водяной пар). Наличие углекислого газа в атмосфере молодой Земли уберегло земные океаны от замерзания (оно было возможно по причине гораздо более низкого уровня светимости Солнца в тот период времени) благодаря парниковому эффекту.

Каково же строение планеты Земля и её внутренняя структура? Прежде всего нужно отметить, что Земля относится к планетам т.н. земного типа, т.е. имеет слоистую структуру и состоит из нескольких геосфер — наружной коры, расположенной под ней мантии (которые
состоят из силикатов и алюмосиликатов) и ядра, состоящего по большей части из железа и в гораздо меньшей степени — из никеля.

Наибольшее количество информации о глубоких недрах Земли учёные получают с помощью данных сейсмологии (она изучает распространение сейсмических волн (это волны, переносящие энергию механических колебаний в горных породах) в недрах Земли, сейсмические явления и причины, их вызывающие, а также все связанные с ними явления). На основании этих данных мы знаем о том, что внутреннее строение нашей планеты примерно следующее:

Схема внутреннего строения Земли

1. Литосфера — её глубина составляет около 70 км, она состоит из двух частей:

А) земной коры — ~ имеет глубину от 4 — 6 км под океанами до 35 — 50 км на континентах; ~ континентальная кора состоит из трёх слоёв — осадочно-вулканического (верхнего), гранитно-гнейсового (среднего), и базальтового (нижнего); ~ средний и нижний слои земной коры разделены т.н. поверхностью Конрада, которая является рубежом изменения скорости прохождения сейсмических волн в сторону её увеличения; ~ океаническая кора сложена в основном из базальтов, покрытых маломощным осадочным чехлом; ~ земная кора отделена от мантии т.н. разрывом Мохоровичича, в котором происходит скачкообразное увеличение скоростей продольных и поперечных сейсмических волн при резком увеличении также и плотности вещества; ~ земная кора занимает около 1% объёма Земли и около 0,5% её массы; Б) субстрата (самой верхней части верхней мантии) — ~ находится на глубине 35-50 км — 60-70 км; ~ состоит в основном из силикатов и оксидов магния и железа.

Литосфера состоит из литосферных плит — жёстких целостных блоков, находящихся в постоянном движении относительно друг друга, которое может быть конвергентным (навстречу друг другу), дивергентным (в разные стороны друг от друга), и сдвиговым (вдоль трансформных разломов вдоль границ литосферных плит). На разломах между тектоническими плитами имеют место вулканическая активность, землетрясения, процессы горообразования и образования океанских впадин. На Земле
имеется 7 (семь) главных тектонических плит — Тихоокеанская, Северо-Американская, Евразийская, Африканская, Антарктическая, Австралийская, Южно-Американская плиты, и 8 (восемь) тектонических плит более мелких размеров — Индостанская, Аравийская, Карибская, Филиппинская, плита Скотия, плита Наска, плита Кокос, и плита Хуан де Фука;~разные тектонические плиты движутся с разной скоростью — например, медленнее всего движется Евразийская плита со скоростью 21 мм в год, а быстрее всего — плита Кокос со скоростью 75 мм в год; ~ механизмом, обеспечивающим движение тектонических плит, является тепловая конвекция в мантии (подъём вещества из нижних слоёв мантии к поверхности).

2. Астеносфера — это часть верхней мантии, располагающаяся ниже литосферы, а именно — непосредственно под субстратом (самой верхней частью верхней мантии, являющейся частью литосферы) на глубине от 70 км до 350 — 410 км, и участвующая в тектоническом движении литосферных плит. Границей между литосферной частью мантии — субстратом, и астеносферой — служит изотерма 1300 градусов Цельсия, т.к. при этой и более высоких температурах меняются физические свойства пород, слагающих мантию — они становятся пластичными, перемещаясь со скоростью, измеряемой в см в год, что и позволяет жёсткой литосфере «плавать» в медленно текущей астеносфере, обусловливая перемещение тектонических плит.

3. Слой Голицына — ~ это переходная зона между верхней и нижней
мантией, которая расположена непосредственно под верхней мантией на глубине 410 — 670 км; ~ состоит в основном из магматической породы перидотита; ~ выделение этой зоны основывается на изменении скоростей сейсмических волн на её верхней и нижней границах.

4. Мезосфера — ~ это нижняя мантия; она расположена на глубинах от 670 км до 2890 км; ~ состоит в основном из 3 (трёх) компонентов — бриджманита, ферропериклаза, и кальциево-силикатного перовскита; ~ температура нижней мантии изменяется от 1690 градусов Цельсия в верхней её части до 2360 градусов Цельсия в самой нижней части.

5. Граница Гутенберга — ~ это граница между состоящей из силикатов мантией и внешним ядром, состоящим из железа и никеля; ~ расположена на глубине 2890 — 2900 км. Общий объём всей мантии составляет около 83% объёма Земли, а общая масса — около 67% массы нашей планеты.

6. Внешнее ядро — ~ располагается ниже границы Гутенберга на глубине от 2900 км до 5170 км; ~ состоит из железа и никеля в жидком агрегатном состоянии; ~ температура внешнего ядра изменяется от 4400 градусов Цельсия в его верхней части и до 6000 градусов Цельсия на границе с внутренним ядром; ~ наличие вихревых токов (токов Фуко) в жидкой железо-никелевой среде внешнего ядра является основным источником магнитного поля Земли наряду с естественной конвекцией жидкого металла этого внешнего ядра, что трудно переоценить, т.к. магнитное поле Земли простирается на несколько тысяч км вокруг Земли, формируя магнитосферу нашей планеты, которая и создаёт некоторый защитный экран вокруг неё, препятствующий попаданию т.н. «солнечного ветра» (потока ионизированных частиц, испускаемых солнечной короной в окружающее Солнце космическое пространство) непосредственно в атмосферу Земли и её уничтожению, а также испарению океанов и улетучиванию с поверхности планеты воды в любом её агрегатном состоянии.

7. Внутреннее ядро (субъядро) — ~ располагается под внешним ядром на глубине от 5170 км до 6370 км (центр Земли); ~ состоит из железо-никелевого сплава в твёрдом состоянии, с небольшой примесью лёгких элементов (кремния, кислорода, серы); ~ температура внутреннего ядра недалеко от границы с внешним ядром составляет около 6200 градусов Цельсия; ~ внутреннее ядро медленно увеличивается в размерах за счёт того, что жидкое внешнее ядро на границе с внутренним охлаждается и затвердевает вследствие постепенного охлаждения недр Земли (примерно на 100 градусов Цельсия за миллиард лет); ~ внутреннее ядро также играет важную роль в фиксации магнитного поля Земли. Ядро в целом занимает около 16% объёма Земли и составляет около 32,5% её массы.

Земная кора, а частично и верхняя мантия — состоят из горных пород, состав и свойства которых определяются составом и свойствами минералов, из которых состоят эти горные породы, а также слагается мантия Земли. Что же собой представляют минералы и чем они отличаются от горных пород? Давайте об этом узнаем.

Минерал — это однородная по своему составу и строению часть горных пород, руд, или метеоритов, представляющая собой природное химическое соединение, возникшее в результате различных геологических процессов.

Различные минералы могут находиться в разном агрегатном состоянии — твёрдом, жидком, или газообразном (например, самородная ртуть находится в естественном жидком состоянии, а углекислый газ и сероводород — это минералы, в природе находящиеся в естественном для них газообразном состоянии). Подавляющее большинство минералов имеют в своём составе те или иные из 8 (восьми) наиболее распространённых в земной коре химических элементов — кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, натрий, калий.

Элементарной единицей классификации минералов является минеральный вид — совокупность минералов определённого химического состава и определённой кристаллической структуры. Многие минеральные виды делятся на минеральные разновидности, которые структурно идентичны, но незначительно отличаются друг от друга по своему химическому составу, окраске, морфологическим особенностям (например, аметист, цитрин, халцедон, горный хрусталь — являются разновидностями минерального вида — кварца). На сегодняшний день известно около 5336 минеральных видов, и открытия новых минеральных видов продолжаются. В природе минеральные виды могут находиться в виде: А)минеральных индивидов (это минеральные тела, между которыми имеются поверхности раздела — кристаллы и зёрна); Б) минеральных агрегатов (это срастания/скопления минеральных индивидов одного и того же или разных минеральных видов, не обладающее чёткими признаками симметричных фигур); В) минеральных тел (это скопления минеральных агрегатов, обладающие естественными границами; их размер может варьировать от совсем небольшого до очень крупного).

По структуре все минералы можно разделить на: а) кристаллические (имеющие кристаллическую структуру, т.е. индивидуальное для каждого вещества расположение частиц — атомов, молекул, ионов — в кристалле, являющееся основным физико-химическим свойством такого вещества); б) аморфные метаколлоиды (атомная структура таких минералов характеризуется т.н. ближним порядком упорядоченности взаимного расположения частиц вещества, которая повторяется лишь на расстояниях, соизмеримых с расстояниями между атомами); в) метамиктные (это минералы, кристаллы которых при сохранении первоначального внешнего облика переходят полностью или частично из структурно упорядоченного кристаллического в стеклоподобное аморфное состояние вещества (это обусловлено воздействием излучений, сопровождающих радиоактивный распад входящих в состав
таких минералов урана и тория), а при нагревании возвращаются в кристаллическое состояние).

Твёрдость минералов определяется по т.н. шкале Мооса, включающей в себя 10 (десять) уровней твёрдости, в которой каждый порядковый номер соответствует условной единице твёрдости: 1.Тальк (самый мягкий с абсолютной твёрдостью 1 балл); 2. Гипс; 3. Кальцит; 4. Флюорит; 5. Апатит; 6. Ортоклаз; 7. Кварц; 8. Топаз; 9. Корунд; 10. Алмаз (самый твёрдый с абсолютной твёрдостью 10 баллов); каждый последующий минерал в этой шкале царапает своим острым концом все предыдущие.

По распространённости все минералы можно разделить на четыре группы, а именно: 1. Породообразующие (они составляют основу большинства горных пород); 2. Рудные (они содержат в своём составе промышленно ценные компоненты и образуют значительные скопления в рудных месторождениях); 3. Акцессорные (они часто присутствуют в составе горных пород, но их доля редко составляет более 5%); 4. Редкие (их находки единичны или немногочисленны).

По происхождению и структурно-химической основе все минералы делятся на I. Неорганические, которые, в свою очередь, подразделяются на следующие группы: Ia. Неорганические минералы:

1. Самородные элементы и интерметаллические соединения;

2. Карбиды, нитриды, фосфиды;

3. Сульфиды, сульфосоли и подобные: а) класс Селениды, теллуриды, арсениды и подобные; б) класс Сульфосоли;

4. Галоидные соединения (галогениды) и галогеносоли: а) класс Фториды, алюмофториды; б) класс Хлориды, бромиды и йодиды;

5. Окислы и гидроокислы: а) класс Простые и сложные окислы; б) класс Гидроокислы;

6. Кислородные соли (оксисоли): а) класс Йодаты; б)класс Нитраты; в) класс Карбонаты; г)класс Сульфаты и селенаты; д) класс Хроматы; е) класс Вольфраматы и молибдаты; ё) класс Фосфаты, арсенаты и ванадаты; ж) класс Бораты; з) класс Силикаты и алюмосиликаты (бериллосиликаты, боросиликаты): 1. Островные силикаты; 2. Цепочечные силикаты; 3. Ленточные силикаты; 4. Слоистые силикаты; 5. Каркасные силикаты. Ib. Неорганические минералоиды (не проявляют кристалличность, видимую при рентгеноструктурном анализе): вода; аллофан; девейлит; хлорофаит; лешательерит; лимонит; опал; сидеромелан; псиломелан; и др..

и II. Органические, которые делятся на: IIa. Органические минералы: 1. Абелсонит; 2. Формиаты: дашковаит; формикаит; 3. Углеводороды: эвенкит; раватит; кратохвилит; карпатит; гелит; 4. Чанабаяит; 5. Эрнстбуркеит; 6. Оксалаты: антипинит; жемчужниковит; коскренит; новгородоваит; степановит; уэдделит; уэвеллит; глушинскит; фалоттаит; 7. Ацетаты: ацетамид; 8. Изоцианаты: йоаннеумит; 9. Меллитаты: меллит; 10. Жюльенит; 11. Кафегидроцианит; 12. Кладноит; 13. Природные газовые гидраты; и IIb. Органические минералоиды (не проявляют кристалличность, видимую при рентгеноструктурном анализе): 1. Жемчуг; 2. Аммолит; 3. Антрацит; гагат; шунгит; и др.; 4. Природные битумы: озокерит; пиробитум; асфальт; мальта; и др.; 5. Природные ископаемые древесные смолы:янтарь; копал;

В отличие от минералов, горные породы чаще всего не однородны. Как правило, они состоят из различных минералов. Однако при всём своём многообразии они закономерно повторяются в земной коре. При этом структура и многие другие свойства горных пород зависят прежде всего от условий их образования, которые могут очень сильно отличаться.