Планету Земля можно разделить на три основных слоя. Первым и самым внутренним является ядро. Другой - мантия, являющаяся средним слоем, а в своей верхней части она уже включена в литосферу, т.е. внешнюю оболочку Земли. Последний, самый внешний слой – это земная кора. Его толщина варьируется от 10 до 70 километров, и составляет всего 1,4% объема и 0,3% массы этой планеты. Несмотря на это, геосфера является самой разнообразной в физическом и химическом отношении. Сочетание географических и химических наук положило начало созданию геологии — отрасли точных наук, занимающейся изучением строения, свойств и истории развития планет. Благодаря развитию этой науки можно определить в том числе и химический состав земной коры.
Формирование Земли
В результате непрекращающихся тектонических движений плит процессы образования горных пород могут длиться до миллионов лет. Из-за различных смещений горных пород, происходивших в истории, многие слои убирались с поверхности в недра, уступая место образовавшимся позднее горным породам, или наоборот — из недр они выталкивались на поверхность планеты. Благодаря этому геологи могут изучать не только породы, составляющие поверхностный слой, но и те, которые ранее образовались и находились на глубине до нескольких километров. Поскольку более глубокие слои недостижимы из-за существующих там условий, т.е. высокого давления и температуры до 6000 oC в ядре, вся информация о них получена косвенными методами, с использованием таких явлений, как сейсмические волны, землетрясения и извержения вулканов. С другой стороны, благодаря относительно легкому доступу к геосфере на глубине около 16 км можно определить средний химический состав литосферы, а значит, и земной коры.
Земная кора
Этот самый внешний слой Земли также является самым разнообразным и наиболее известным нам. Это геосфера с самой низкой температурой, толщиной и массой. Изнутри земная кора граничит с мантией через границу Мохоровичича, а снаружи находится в прямом контакте с атмосферой или гидросферой. Химический состав земной коры включает в себя 93 элемента, но только 8 из них составляют до 99,5% ее массы. Предполагается, что в массовом процентном соотношении кислород занимает 46,6%, кремний — 27,72%, алюминий — 8,13%, железо — 5,00%, кальций — 3,63%, натрий — 2,83%, калий — 2,60% и магний — 2,08%. Для сравнения, содержание водорода оценивается в 0,14%, серы 0,05%, углерода 0,03% и меди 0,01%. В состав также входят хлор, рубидий, фтор, стронций, барий, никель, литий, азот и многие другие. Разнообразие этой геосферы является результатом преобладания многих структур, таких как магматические, метаморфические и осадочные породы во многих конфигурациях. Из-за вышеупомянутых геологических процессов образовавшиеся породы не характеризуются одинаковым химическим составом. Он неоднороден как горизонтально, так и вертикально. Кроме того, очень редко элемент встречается в самородном виде, обычно они образуют скопления разных атомов в виде минералов. Некоторые из них, такие как золото, серебро, медь, сера, алмаз и графит, могут встречаться в виде одного элемента. Однако многоэлементных минералов гораздо больше, оценочное число известных на данный момент составляет 3000, причем силикаты считаются наиболее распространенными.
Минералы
По определению это химические соединения, образующиеся в результате природных процессов, которые имеют специфический химический состав и кристаллическую структуру. В зависимости от типа мы можем различать их по различным химическим и физическим свойствам. Существует много типов минералов, потому что одно химическое соединение может существовать в различных кристаллических формах. Например, карбонат кальция образует три минерала с одинаковыми химическими свойствами, но разными физическими свойствами — мел, известняк и мрамор. По классификации Никеля-Штрунца минералы можно разделить на девять категорий: самородные элементы, сульфиды, галогениды, оксиды и гидроксиды, нитраты, карбонаты и бораты, сульфаты, хроматы, молибдаты, вольфраматы, фосфаты, арсенаты, ванадаты, силикаты, органические соединения. Минералы, имеющие в своей структуре наиболее распространенные элементы, являются породообразующими.
Горные породы
Термин «горная порода» относится к массивным скоплениям минералов. Минеральный состав горных пород может быть самым разнообразным. Существуют мономинеральные разновидности, такие как кальцитовые известняки или мраморы, называемые мономинеральными породами. Однако подавляющее большинство представляют собой полиминеральные породы, состоящие как минимум из двух минералов. Обычно встречаются, например, известняковые породы, состоящие из известняков, и гранитные породы, в которых основным минералом является кварц. Самые распространенные – силикаты, которые составляют три четверти земной коры. Они встречаются в виде горных пород, песков, почв и глин, а в составе преобладают кремнезем и соли кремниевых кислот.
Примеры руд
К одной группе с сульфидами относят аналогичные им соли серы, арсениды, антимониды, висмуты, селениды и теллуриды. Они обладают схожими физическими свойствами, в том числе высокой плотностью и сильным металлическим блеском. Большинство из них образуются из гидротермальных растворов, но могут кристаллизоваться и из сульфидной магмы. Несмотря на их не очень высокую распространенность на уровне 0,15 процента массы земной коры, за счет руд ценных металлов (золота, серебра, платины) они имеют хозяйственно-экономическое значение. В эту группу минералов входят, в частности: алабандин MnS, антимонит Sb2S3, арсенопирит FeAsS и киноварь HgS. В категорию галогенидов входят преимущественно соединения хлора и фтора, реже встречаются бромиды и йодиды. Характерной особенностью галогенидов легких металлов является стеклянный блеск и низкий показатель преломления. Чаще всего они встречаются в пегматитах и гидротермальных жилах. Они используются в производстве минеральных удобрений, химического сырья и флюсов, часть из них также потребляется напрямую. Примерами минералов этой группы являются галит NaCl, флюорит Ca2F, сильвит KCl и атакамит Cu2(OH)3Cl. Несмотря на наибольшую распространенность элемента кислорода в земной коре, его полезные ископаемые составляют всего 4,5%. Почти все они состоят из оксидной железной руды, а другие соединения — оксиды алюминия, магния, титана и хрома. Минералы этой группы образуются в магматических, гидротермальных и атмосферных условиях. Одни из них являются важным промышленным сырьем, другие — ценными драгоценными камнями. К ним относятся хромит FeCr2O4, гематит Fe2O3, рубин и сапфир Al2O3. Сульфаты и хроматы представляют собой очень большую группу из почти 200 минералов. Характеризуются прозрачностью и стекловидным блеском. Они образуются при низких температурах и давлениях в условиях, обогащенных кислородом. В эту группу входят гипс CaSO4·2H2O, ангидрит CaSO4 и целестин SrSO4. В природе насчитывается около 70 карбонатов, и наиболее важным из них является кальцит, способный образовывать осадочные, метаморфические и магматические породы. А также известняки, мраморы и карбонатиты. Обычно они образуются в гидротермальных жилах и осадочных бассейнах. Как железные, марганцевые и цинковые руды, они имеют большое значение из-за их использования в химической, металлургической и цементной промышленностях. Карбонатные минералы включают арагонит и кальцит CaCO3, азурит Cu3(CO3)2(OH)2, доломит CaMg(CO3)2 и магнезит MgCO3.