Planetę Ziemię można podzielić na trzy podstawowe warstwy. Pierwszą z nich, najbardziej wewnętrzną, jest jądro. Kolejną jest płaszcz ziemski, który stanowi warstwę środkową, a w swojej górnej części zaliczany jest już do litosfery, czyli zewnętrznej powłoki Ziemi. Ostatnią, najbardziej zewnętrzną warstwą, jest skorupa ziemska. Jej grubość wynosi od 10 do 70 kilometrów, a stanowi zaledwie 1,4% objętości oraz 0,3% masy tej planety. Pomimo to, jest geosferą najbardziej zróżnicowaną pod względem fizycznym oraz chemicznym. Połączenie nauk geograficznych oraz chemicznych zapoczątkowało powstanie geologii, będącej działem nauk ścisłych, zajmującej się badaniem budowy, własności oraz historii rozwoju planet. Dzięki rozwojowi tej nauki możliwe jest określenie, między innymi składu pierwiastkowego skorupy ziemskiej.
Kształtowanie Ziemi
W wyniku nieustających ruchów tektonicznych płyt, procesy skałotwórcze mogą trwać nawet miliony lat. Ze względu na występujące w historii różnorodne przemieszczenia skał, wiele warstw usunęło się z powierzchni w głąb, ustępując później powstałym skałom lub przeciwnie – z głębi zostały wypchnięte na powierzchnię planety. Dzięki temu geolodzy mogą nie tylko badać skały stanowiące warstwę powierzchniową, ale również takie, które wcześniej powstały i znajdowały się na głębokości nawet kilkunastu kilometrów. Ponieważ głębsze warstwy są nieosiągalne ze względu na warunki tam panujące, to znaczy wysokie ciśnienie i temperaturę rzędu nawet 6000 oC w jądrze, wszelkie informacje na ich temat zostały uzyskane metodami pośrednimi, wykorzystującymi takie zjawiska jak fale sejsmiczne, trzęsienia ziemi oraz wybuchy wulkanów. Natomiast dzięki stosunkowo łatwemu dostępowi do geosfery na głębokości około 16 km, możliwe jest określenie średniego składu chemicznego litosfery, a więc i skorupy ziemskiej.
Skorupa ziemska
Ta najbardziej zewnętrzna warstwa ziemi jest też najbardziej zróżnicowaną i najlepiej nam znaną. Stanowi geosferę o najchłodniejszej temperaturze, najmniejszej grubości oraz masie. Od wewnątrz skorupa graniczy z płaszczem ziemskim poprzez nieciągłość Mohorovičicia, natomiast od zewnątrz jest w bezpośrednim kontakcie z atmosferą lub hydrosferą. Skład chemiczny skorupy ziemskiej obejmuje jakościowo 93 pierwiastki, jednak jedynie 8 z nich stanowi aż 99,5% jej masy. Przyjmuje się, że w procentach masowych tlen zajmuje 46,6%, krzem 27,72%, glin 8,13%, żelazo 5,00%, wapń 3,63%, sód 2,83%, potas 2,60% a magnez 2,08%. Dla porównania zawartość wodoru szacuje się na 0,14%, siarki 0,05%, węgla 0,03% a miedzi 0,01%. W składzie znajdziemy również chlor, rubid, fluor, stront, bar, nikiel, lit, azot i wiele innych. Różnorodność tej geosfery jest wynikiem rozpowszechnienia wielu struktur, takich jak skały magmowe, metamorficzne oraz osadowe w wielu konfiguracjach. Ze względu na wcześniej wspomniane procesy geologiczne, formowane skały nie charakteryzują się jednakowym składem chemicznym. Jest on niejednolity zarówno horyzontalnie, jak i wertykalnie. Ponadto bardzo rzadko zdarza się, że pierwiastek występuje w formie rodzimej, zazwyczaj tworzą one skupiska różnych atomów w postaci minerałów. Nieliczne z nich, takie jak złoto, srebro, miedź, siarka, diament i grafit mogą występować w postaci jednego pierwiastka. Minerałów wielopierwiastkowych jest natomiast o wiele więcej, szacunkowo ilość obecnie poznanych to 3000, a za najbardziej powszechne uznaje się krzemiany.
Minerały
Z definicji są to związki chemiczne powstałe w wyniku naturalnych procesów, które posiadają określony skład chemiczny oraz strukturę krystaliczną. W zależności od rodzaju możemy je rozróżnić dzięki rozbieżnym właściwościom chemicznym i fizycznym. Istnieje wiele rodzajów minerałów, ponieważ możliwe jest występowanie jednego związku chemicznego w różnorodnych formach krystalicznych. Przykładowo, węglan wapnia tworzy trzy minerały o jednakowych właściwościach chemicznych, ale rozbieżnych właściwościach fizycznych – kredę, wapień oraz marmur. Według klasyfikacji Nickela-Strunza można podzielić minerały na dziewięć kategorii: pierwiastki rodzime, siarczki, halogenki, tlenki i wodorotlenki, azotany, węglany i borany, siarczany, chromiany, molibdeniany, wolframiany, fosforany, arseniany, wanadany, krzemiany, związki organiczne. Minerały posiadające w swojej strukturze najpowszechniej występujące pierwiastki są skałotwórcze.
Skały
Pojęcie skały odnosi się do masywnych zespołów minerałów. Skład mineralny skał może być bardzo zróżnicowany. Istnieją jednominerałowe odmiany, takie jak wapienie kalcytowe lub marmury, nazywane skałami monomineralnymi. Zdecydowana większość to jednak skały polimineralne, zbudowane z co najmniej dwóch minerałów. Powszechnie występujące to na przykład skały wapienne, zbudowane z wapieni oraz skały granitowe, w których minerałem głównym jest kwarc. Te najpowszechniejsze – krzemiany stanowią trzy czwarte skorupy ziemskiej. Można je znaleźć w postaci skał, piasków, gleb oraz iłów, a w składzie dominuje krzemionka (przeczytaj o mikrokrzemionce) oraz sole kwasów krzemowych.
Przykłady kruszców
Do jednej grupy z siarczkami przypisuje się im podobne siarkosole, arsenki, antymonki, bizmutki, selenki oraz tellurki. Posiadają one podobne właściwości fizyczne, w tym dużą gęstość oraz silny metaliczny połysk. Większość z nich powstaje z roztworów hydrotermalnych, jednak mogą również krystalizować z magmy siarczkowej. Pomimo ich niezbyt dużego rozpowszechnienia na poziomie 0,15 procent masowych skorupy ziemskiej, ze względu na cenne rudy metali (złota, srebra, platyny) mają znaczenie ekonomiczno-gospodarcze. Do tej grupy minerałów zaliczamy między innymi: alabandyn MnS, antymonit Sb2S3, arsenopiryt FeAsS oraz cynober HgS. W kategorii halogenków znajdują się głównie związki chloru oraz fluoru, rzadziej występują bromki oraz jodki. Cechą charakterystyczną halogenków metali lekkich jest szklisty połysk oraz niski współczynnik załamania światła. Najczęściej występują w pegmatytach oraz żyłach hydrotermalnych. Wykorzystuje się je przy produkcji nawozów mineralnych, surowców chemicznych oraz topników, część z nich również spożywa się bezpośrednio. Przykładami minerałów tej grupy są halit NaCl, fluoryt Ca2F, sylwin KCl i atakamit Cu2(OH)3Cl. Pomimo największego rozpowszechnienia pierwiastka tlenu w skorupie ziemskiej, jego minerały stanowią zaledwie 4,5%. Prawie całość z nich stanowi ruda tlenku żelaza, a inne związki to tlenki glinu, magnezu, tytanu i chromu. Minerały tej grupy powstają w warunkach magmowych, hydrotermalnych oraz wietrzeniowych. Część z nich stanowi ważne surowce przemysłowe, a inne to cenne kamienie jubilerskie. Są to między innymi chromit FeCr2O4, hematyt Fe2O3, rubin oraz szafir Al2O3. Siarczany i chromiany stanowią bardzo liczną grupę prawie 200 minerałów. Charakteryzują się przezroczystością oraz szklistym połyskiem. Powstają w niskich temperaturach i ciśnieniu w warunkach bogatych w tlen. Do tej grupy zaliczamy gips CaSO4·2H2O, anhydryt CaSO4 oraz celestyn SrSO4. W przyrodzie istnieje około 70 węglanów, a najważniejszym z nich jest kalcyt zdolny do wytwarzania skał osadowych, metamorficznych oraz magmowych. Są to kolejno wapienie, marmury i karbonatyty. Zazwyczaj powstają w żyłach hydrotermalnych oraz basenach sedymentacyjnych. Jako rudy żelaza, manganu i cynku mają duże znaczenie ze względu na wykorzystanie w przemyśle chemicznym, hutniczym oraz cementowym. Do minerałów węglanowych zaliczamy aragonit i kalcyt CaCO3, azuryt Cu3(CO3)2(OH)2, dolomit CaMg(CO3)2 i magnezyt MgCO3.