Файл: Свинко Й. М. Сивий М. Я. Геологія.pdf

Вказані значення градієнта та ступеня характерні лише для верхніх шарів земної кори, з глибиною градієнт, оче­ видно, спадає, а ступінь зростає.

Температура, виміряна в Кольській надглибокій сверд­ ловині на глибині 11 км, становить близько 200 °С, що відповідає геотермічному ступеню 19...20 м. Розрахунки гео­ фізиків свідчать, що на глибині близько 400 км температу­ ра становить приблизно 1600 °С, на глибині 2900 км, тобто на межі мантії і ядра, — близько 2500, а в центрі Землі досягає 5000 °С.

Основними джерелами глибинного тепла Землі вважа­ ють:

•радіогенне тепло, яке утворюється під час розпаду радіоактивних ізотопів;

•тепло, що виділяється внаслідок гравітаційної дифе­ ренціації речовини мантії (перерозподіл за щільністю);

•тепло, яке вивільнюється в надрах унаслідок деяких хімічних реакцій.

Контрольні запитання й завдання

1. Як побудована Сонячна система? 2. Назвіть внут­ рішні й зовнішні планети. 3. Охарактеризуйте супутник Землі — Місяць. 4. Що таке астероїди, комети? 5. Чим відрізняються геоїд і еліпсоїд обертання? 6. У чому поля­ гають відмінності між континентальним і океанічним ти­ пами кори? 7. Що таке субокеанічний і субконтинентальний типи кори? 8. Охарактеризуйте будову мантії і ядра Землі. 9. Назвіть середні характеристики щільності для різних геосфер Землі. 10. Як змінюється прискорення вільного падіння по поверхні планети та з глибиною? 11. Дайте характеристику магнітного поля Землі. 12. Яки­ ми чинниками визначається теплове поле Землі? 13. Що таке геотермічний градієнт і геотермічний ступінь? 14. Чим відрізняються класи космогонічних гіпотез? 15. Викладіть суть гіпотези О.Ю.Шмідта. 16. Що таке гомогенна та гете­ рогенна акреції? 17. Що таке гірські породи? 18. Як кла­ сифікують гірські породи?

32

Глава 2 МІНЕРАЛИ - СКЛАДОВА ЗЕМНОЇ КОРИ

2.1.

Хімічний склад земної кори

Земна кора складена гірськими породами різного по­ ходження, що є природними мінеральними агрегатами. Мінерали ж, у свою чергу, складаються з хімічних еле­ ментів. Тому, щоб дістати уявлення про хімічний склад земної кори, вивчають хімічний склад порід і мінералів, відібраних на поверхні Землі, в гірничних виробках (шах­ тах, рудниках), у бурових свердловинах, на дні морів та океанів. Найдостовірніші відомості дістають лише для верх­ нього шару кори (до глибини 10...20 км).

Для оцінки хімічного складу глибинних геосфер вико­ ристовують дані аналізів метеоритів, зразки порід, добутих на Місяці радянськими станціями «Луна-16», «Луна-20», «Луна-24» і американськими кораблями «Аполлон-11», «Аполлон-12».

У 1889 р. американський геохімік Ф. Кларк опубліку­ вав перші дані про середній вміст хімічних елементів у земній корі. У 1923 р. академік О. Є. Ферсман запропону­ вав середній вміст хімічного елемента в земній корі, роз­ рахований на весь її об'єм і виражений у вагових або об'єм­ них процентах, називати кларком (наприклад, кларк маг­ нію, кларк титану). Суттєвий внесок у розробку цього питання належить В. І. Вернадському (першому Президенту Української Академії наук), О. Є. Ферсману, О. М. Заварицькому, О. П. Виноградову та ін. Так, за даними О. П. Виноградова, найпоширенішими елементами в земній корі є кисень, силіцій та алюміній, на їх частку припадає 82,58 % маси всієї земної кори. Залізо, натрій, калій, магній і титан становлять ще 15,16 %. Частка решти елементів у земній корі становить лише 2,26 % (табл. 1).

Можна побачити, що дані, добуті Ф. Кларком ще в 1924 р., і радянськими геохіміками О. Б. Роновим і О. О. Ярошевським (з урахуванням хімічних аналізів місяч­ них зразків і порід з глибоких зон океанів), мало відрізня­ ються (до 3 %).

Крім дев'яти основних хімічних елементів, десятими

33

частками процента обчислюється вміст у земній корі Ті (0.52). С (0,46), Мп (0,12). S (0,11), СІ (0,2).Решта елемен­ тів таблиці Л. І. Менделєєва представлена в земній корі сотими, тисячними та мільйонними частками процента.

Таблиця І. Хімічний склад земної кори

Елементи, що становлять мізерну частку земної кори, тобто трапляються в природі нечасто, називають рідкісни­ ми, або розсіяними.

Для деяких хімічних елементів (йоду, гафнію, скандію, рубідію, індію, цезію, радію та деяких інших) розсіяний стан є основним, оскільки вони не утворюють (чи майже не утворюють) власних мінералів; для більшості елементів такий стан є переважним і лише для кисню, силіцію, алю­ мінію, заліза, кальцію, натрію, калію і магнію основною природною формою є власні мінерали. Постулат про за­ гальне розсіяння хімічних елементів навіть пропонують іменувати законом Кларка—Вернадського. Справа в тому, що в 1909 р. на XII з'їзді російських природодослідників та лікарів В. І. Вернадський сказав: "У кожній краплині й порошинці речовини на земній поверхні в міру зростання точності наших досліджень ми відкриваємо все нові і нові елементи. Виявляється мікроскопічний характер їх розсі­ яння. В піщинці чи краплі, як у мікрокосмі, відбивається загальний склад Космосу. В ній можна знайти ті самі еле­ менти, шо спостерігаються на земній кулі, в небесних про-

34

сторах. Питання пов'язане лише з поліпшенням і вточненням методів дослідження...". До В. І. Вернадського в гео­ логії панували погляди лише про мінеральну форму пере­ бування хімічних елементів у літосфері.

Опрацювавши уявлення про розсіяну форму хімічних елементів, В. І. Вернадський зробив останні об'єктом спеці­ альних досліджень фахівців у галузі геології, заклавши, та­ ким чином, підвалини нової дисципліни — геохімії, науки про розподіл (концентрацію та розсіяння) і процеси міграції хімічних елементів у земній корі, та, за можливості, в Землі в цілому.

Як уже було зазначено, середній склад Землі в цілому оцінюють переважно за аналізами метеоритів, використо­ вуючи також геофізичні дані, зокрема щодо змін щільності з глибиною. Виходять з того, що метеорити, потрапляючи на Землю з поясу астероїдів, є або уламками гіпотетичної планети Фаетон, яка з невідомих причин розпалася, або вихідним матеріалом для формування нової планети між орбітами Марса і Юпітера. В тому й іншому разі допус­ кається подібність хімічного складу планет земної групи, а отже, й можливість оцінити на підставі складу метео­ ритів хімічний склад внутрішніх геосфер Землі. Середній хімічний склад Землі за цією методикою у 1930 р. було обчислено О. Є. Ферсманом. У 1978 р. американський геохімік Б. Мейсон з урахуванням аналізів зразків гірських

Таблиця 2. Хімічний склад Землі

порід, доставлених з Місяця, запропонував свій гіпоте­ тичний склад Землі, дещо відмінний від наведеного О. Є. Ферсманом (табл. 2).

Середній хімічний склад Землі одним із перших обчис­ лено ще в 1919 р. українським вченим П. М. Чирвінським.

Порівняння даних стосовно хімічного складу земної кори і Землі в цілому виявляє, насамперед, різке підви­ щення в другому випадку частки важких елементів — заліза й нікелю, що може вказувати на залізо-нікелевий склад ядра Землі.

2.2.

Кристалографічні властивості та форми мінералів у природі

Мінералами називаються природні хімічні сполуки або самородні хімічні речовини, утворені внаслідок складних фізико-хімічних процесів у надрах земної кори чи на її по­ верхні. Це саме ті первісні "цеглинки", з яких побудована Земля. їх налічують понад 2000, а з різновидами — понад 6000, хоча найбільше поширення мають лише декілька со­ тень так званих "породоутворювальних" мінералів. У при­ роді мінерали трапляються найчастіше в твердому вигляді, хоча відомі й рідкі та газоподібні мінерали.

Втім, існує і дещо відмінне трактування поняття мінерала. Так, під мінералом розуміють кристалічну складову частину гірських порід, руд та інших (у тому числі й колоїд­ но-дисперсних) агрегатів неорганічного світу, утворену внаслідок фізико-хімічних процесів, шо відбуваються в земній корі й у суміжних з нею оболонках. Тобто в цьому разі рідкі й газоподібні тіла не вважають мінералами.

Переважна більшість твердих мінералів — це кристалічні утворення і лише незначна кількість їх — аморфні. Крис­ талічні форми мінералів вивчає певна наука — кристало­ графія. Як відомо, будова кристалів характеризується зако­ номірним розташуванням у просторі складових частинок (атомів, іонів, молекул), в аморфних речовин елементарні частинки розташовуються хаотично. Елементарні частин­ ки в кристалічних мінералах утворюють так звані кристалічні решітки, які визначають їхні основні властивості.

Кристалічні тіла характеризуються анізотропністю —

36

фізичні властивості їх (теплопровідність, твердість тощо) од­ накові лише в паралельних напрямках і різняться в непаралельних.

Цю властивість кристалічних тіл часто ілюструють про­ стим дослідом. Кусочок кристалічного гіпсу умочують у розплавлений віск, дають останньому застигнути, а потім торкаються до поверхні гіпсу гарячою голкою. Розтопле­ ний віск має форму еліпса, що вказує на те, що тепло­ провідність гіпсу різна в різних напрямках.

Аморфні тіла — ізотропні (однакові властивості в різних напрямках).

Ще одна властивість кристалічних тіл — здатність до самоогранення, тобто утворення у відповідних умовах пра­ вильних багатогранників-кристалів. Мінерали з аморфною структурою утворюють землисті маси, натічні форми тощо.

Утворення кристалів можна спостерігати, якщо, наприк­ лад, у посудину з перенасиченим розчином кухонної солі опустити на нитці так звану затравку. З часом вона пере­ твориться на кристалик солі кубічної форми.

Кристал, як геометричне тіло, характеризується граня­ ми, ребрами і вершинами.

Грані — це площини, які обмежують кристал; вони від­ повідають плоским сіткам граней кристалічної решітки.

Ребра — лінії, по яких перетинаються сусідні грані, відповідають рядам частинок, за якими перетинаються сітки граней решітки.

Вершини — точки, в яких перетинаються ребра, відпо­ відають вузлам кристалічної решітки, де розташовані іони (атоми, молекули).

Кути, утворені сусідніми гранями, називаються гранними. Вченими трьох країн (данцем Н. Стено, французом Р. де Ліллем і росіянином М. В. Ломоносовим) незалежно один від одного було з'ясовано, що гранні кути в кристалів одного й того самого мінералу постійні — закон постійності гранних кутів. Закон має важливе практичне значення, оскіль­ ки, вимірюючи з допомогою спеціальних приладів — гоніо­ метрів — кути між однотипними гранями в кристалах, мож­ на діагностувати мінерали в найдрібніших кристаликах.

Більшість мінералів у породі утворюють мікрокрис­ талічні агрегати, зернисті маси тощо. І лише в деяких ви­ падках, за сприятливих умов рівномірного надходження однорідної речовини до кристала, що росте, можуть утво-

37

рюватися правильні багатогранники, які мають симетрію, тобто їхні елементи (грані, ребра, вершини) закономірно повторюються в просторі. Симетрію кристалів характери­ зують площина, вісь і центр симетрії, які називають ще елементами симетрії (рис. 6).

Рис. 6. Елементи симетрії кристалів:

а — площини симетрії; б — осі симетрії; в — центр симетрії

Площина симетрії (Р) — це уявна площина, яка ділить кристал на дві дзеркально симетричні частини.

Вісь симетрії (L) — уявна лінія, при обертанні навколо якої на 360° кристал декілька разів (2, 3, 4, 6) повторює своє початкове положення в просторі. В кристалі можуть бути представлені декілька осей симетрії* — вісь симетрії другого порядку L2, вісь симетрії третього порядку L3 і, відповідно, - L4і L6 (рис. 6, б). Вісь другого порядку нази­ вають віссю нижчого найменування, а осі симетрії L3 ,L4, L6 — осями вищого найменування.

Центром симетрії (С) називають точку всередині кри­ стала, в якій перетинаються і діляться навпіл всі прямі лінії, що сполучають відповідні точки на поверхні крис­ талу. Центр симетрії є в тих кристалів, кожній грані яких відповідає грань того самого кристала, рівна і паралель­ на розглядуваній. В кожному кристалі є певна сукупність елементів симетрії чи певна комбінація їх. Російський кристалограф А. В. Гадолін показав (1869 р.), що в кри­ сталах можливі лише 32 комбінації елементів симетрії, названих кристалографічними класами, або видами си­

метрії.

Наприклад, у кубі є три осі симетрії четвертого поряд­ ку, чотири осі симетрії третього порядку, шість осей дру-

* Вісь симетрії п'ятого порядку в простих кристалах не спостері­ гається, оскільки п'ятикутна елементарна комірка не може повністю за­ повнити простір.

38

гого порядку, дев'ять площин симетрії і центр. Вид си­ метрії куба записують у такому вигляді: ЗL44L36L29РС.

Всі види симетрії об'єднують умовно за ступенем склад­ ності в сім груп, які називають сингоніями, які, в свою чергу, групуються в три категорії (табл. 3). Для того, щоб віднести кристал до тієї чи іншої сингонії, слід визначити його елементи симетрії, записати їх у вигляді формули і скористатися табл. 3.

Таблиця 3. Кристалографічні сингонії та їх категорії

39