Вещественный состав земной коры

Проявления магматизма на платформах и геосинклиналях резко  различается. В периоды прогибания геосинклиналей по глубинным разломам поступает магма основного и  ультраосновного состава. В процессе превращения геосинклинали в  складчатую область происходит образование  и внедрение огромных масс гранитной  магмы. Для поздних этапов характерны вулканические излияния лав среднего и кислого состава. На платформах магматические процессы выражены значительно  слабее и представлены преимущественно  излияниями базальтов или лав  щелочно-основного состава.

Среди осадочных пород  континентов преобладают глины  и глинистые сланцы. На дне океанов  увеличивается содержание известковых  осадков.

Итак, земная кора состоит  из трех слоев. Ее верхний слой сложен осадочными породами и продуктами выветривания. Объем этого слоя составляет около 10% общего объема земной коры. Большая часть вещества находится на континентах и переходной зоне, в пределах океанической коры его не более 22% объема слоя.

В так называемом гранитном слое наиболее распространенными породами являются гранитоиды, гнейсы и кристаллические  сланцы. На породы более основного  состава приходится около 10% этого  горизонта. Это обстоятельство хорошо отражается на среднем химическом составе  гранитного слоя. При сопоставлении  величин среднего состава обращает на себя внимание ясное различие этого  слоя и осадочной толщи (табл. 2).

Таблица 2

Химический состав земной коры (в весовых процентах)

(по данным Л.Б. Ронова  и А.Л. Ярошевского, 1976)

Компоненты	Средний состав осадочной  толщи	Средний состав гранитного слоя	Средний состав базальтового слоя
			континентов	океанов
SiO2 TiO2 A12O3 Fe2O3 FeO MnO MgO CaO Na2O K2O P205 Cорганический CO2 SO3 Cl H2O+	44,03 0,53 10,67 2,82 1,89 0,24 2,79 15,91 1,50 1,91 0,13 0,62 12,38 0,50 0,27 3,59	63,08 0,54 15,38 2,24 3,60 0,09 2,96 3,79 2,71 2,89 0,16 0,05 0,81 0,10 0,21 1,46	54,84 0,84 14,28 2,42 4,25 0,16 6,37 8,09 2,34 1,32 0,16 0,02 0,37 0,03 0,02 1,40	49,43 1,49 15,50 2,47 7,97 0,18 7,89 11,23 2,60 0,24 0,23 - - - - 0.69
* — за исключением  включений эффузивных пород

Состав базальтового слоя в двух основных типах земной коры неодинаков. На континентах эта толща  характеризуется разнообразием  горных пород. Здесь присутствуют глубоко  метаморфизованные и магматические  породы основного и даже кислого  состава. Основные породы составляют около 70% всего объема этого слоя. Базальтовый  слой океанической коры значительно более однороден. Преобладающим типом пород являются так называемые толеитовые базальты, отличающиеся от континентальных базальтов низким содержанием калия, рубидия, стронция, бария, урана, тория, циркония и высоким отношением Na/K. Это связано с меньшей интенсивностью процессов дифференциации при их вплавлении из мантии. В глубоких рифовых разломах выходят ультраосновные породы верхней мантии.

Распространенность горных пород в земной коре, сгруппированных  для определения соотношения  их объема и масс, приведена в  таблице 3.

Таблица 3

Распространенность горных пород в земной коре

(по А.Б. Ронову и А.Л.  Ярошевскому, 1976)

№ п/п	Группы пород	Распространенность, % объема земной коры	Масса, 1018т
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11	Пески и песчаные породы Глины, глинистые сланцы, кремнистые породы Карбонаты Соленосные отложения Гранитоиды, гранитогнейсы, кислые эффузивы и их метаморфические  эквиваленты Габбро, базальты и их метаморфические  эквиваленты Дуниты, перидотиты, серпентиниты Метапесчаники Парагнейсы и кристаллические  сланцы Метаморфизованные карбонатные  породы Железистые породы	1,83 4,48 2,79 0,09 20,86 50,34 0,07 1,74 16,91 0,69 0,17	0,43 1,14 0,71 0,02 5,68 15,00 0,02 0,47 4,74 0,18 0,06
	Сумма	100,00	28,46

2. Эволюция химического  состава земной коры

Проблема образования  существующей структуры земной коры имеет не только фундаментальное  теоретическое значение. Познание процессов, формирующих земную кору, одновременно означает выяснение закономерностей  образования и размещения промышленных месторождений полезных ископаемых. Поэтому над изучением этих процессов  работают крупные научные коллективы многих стран.

Экспериментальные исследования, изучение горных пород на поверхности  материков и на дне океанов, результаты глубокого бурения позволили  разработать представление о  радиально направленном выправлении  и дегазации вещества земной коры из мантии. Вещество мантии до сих пор непосредственно не подвергалось химическому анализу, так как достать его пока еще технически невозможно. Однако есть основания считать, что состав мантии отвечает составу каменных метеоритов (хондритов).

Результаты анализов показывают, что в них содержатся определенные количества некоторых химических элементов, образующих относительно легкоплавкие соединения, а также элементов, входящих в состав газов и воды (табл. 4).

Таблица 4

Содержание в хондритах  химических элементов и соединений, образующих пары и газы

(по А.П. Виноградову, 1964)

Элементы соединений	Содержание, в весовых  процентах	Состав газов
S Н20 C N F С1 Br В J	1,8 0,5 4*102 2*103 2,8*10 -3 7*10-3 5*10-5 4*10-5 4*10-6	H2S, S02 и др. H2O,H2, O2 СН4, СО, СO2 N2,NH3 HF НСl HBr В (ОН)3, и др. HJ

 

Вещество мантии находится  в равновесном твердом состоянии  в условиях высоких температур и  давления. Однако это равновесное  состояние будет нарушено, если внешние  условия изменятся, например, понизится  давление или повысится температура. Тогда вещество перейдет в расплавленное, жидкое состояние. Такое явление  вполне вероятно, если внутри мантии возникнет  очаг сильного разогревания. Причиной его может служить энергия  радиоактивного распада. Расплавленная  масса, содержащая источник тепловой энергии, будет перемещаться в радиальном направлении к поверхности Земли, проплавляя при своем движении вещество мантии. При этом должна происходить  закономерная дифференциация этого  вещества.

Чтобы представить себе механизм этого процесса, мысленно проделаем  следующий опыт.

Поместим в термоустойчивую  трубку смесь соединений, обладающих различной температурой плавления. При помощи кольцевого нагревателя  расплавим узкую зону внизу трубки и затем будем медленно перемещать нагреватель вверх вдоль трубки. При подъеме нагревателя расплавится  следующая зона, а нижележащая  масса остынет и вновь закристаллизуется. По мере движения нагревателя все  вещество в трубке пройдет стадии плавления и последующей кристаллизации. Если эту операцию повторить неоднократно, то исходная смесь закономерно разделится: вверху обособятся более легкоплавкие соединения, а внизу — менее  плавкие.

Изложенный принцип «зонной» плавки был использован известным  геохимиком А.П. Виноградовым для создания модели образования земной коры. Согласно этой модели, определенные очаги расплава, перемещающиеся в радиальном направлении, обеспечили закономерную дифференциацию вещества мантии. Состав первоначально  возникающего расплава не отличался  от состава исходного материала. Но многократное повторение этого процесса обусловило разделение вещества, вынос  из мании относительно легкоплавких соединений и накопление их на поверхности  планеты.

В результате дифференциации исходного вещества происходит закономерное перераспределение химических элементов  по оболочкам Земли. Если принять, что  состав исходного вещества мантии близок к составу каменных метеоритов, то можно проследить, как менялось содержание важнейших химических элементов  в процессе образования земной коры.

В таблице 5 хорошо видно, что  выделение легкоплавких соединений из исходного вещества планеты сопровождалось прогрессирующим накоплением кремния, алюминия, кальция, калия, натрия, фтора, хлора. В то же время большая часть  железа, магния, серы оставалась в веществе мантии.

Предложены и другие модели, но независимо от тех или иных представлений  о механизме массопереноса большая  часть ученых разделяет мнение о  том, что земная кора образовалась путем  выноса из мантии легкоплавких и легколетучих химических соединений.

Таблица 5

Среднее содержание основных химических элементов в главных  типах горных пород и в каменных метеоритах, в весовых процентах

(по А.П.Виноградову)

Элементы	Каменные метеориты (хондриты)	Горные породы верхней  мантии (дуниты и др.)	Горные породы земной коры
			базальты	гранитоиды
0 Si Al Ca К Na F Cl Mg Fe S	35,0 18,0 1,3 1,4 0,085 0,7 0,0028 0,007 14,0 25,0 2,0	42,5 19,0 0,45 0,7 0,03 0,57 0,01 0,005 25,9 9,85 0,02	43,5 24,0 8,76 6,72 0,83 1,94 0,037 0,005 4,5 8,56 0,03	48,7 32,3 7,7 1,58 3,34 2,77 0,08 0,024 0,56 2,7 0,04

Процесс выноса легколетучих и легкоплавких химических соединений весьма сложен. Если образование базальтовой  коры как продукта выплавления из вещества мантии не вызывает сомнений, то в процессе образования гранитного слоя еще очень много неясного. Многочисленные факты свидетельствуют, что образование крупных масс гранитов приурочено к определенной стадии развития геосинклиналей, на которой процессы регионального метаморфизма достигают своей наивысшей степени — палингенеза. При этом происходит расплавление метаморфизуемых пород под воздействием не только высоких температур и давления, но также глубинных флюидов, дегазированных из мантии. Образующийся расплав насыщается химическими элементами, поступившими в результате дегазации, состав его становится более сложным по сравнению с выплавляемыми базальтами, изливающимися на океаническом дне из глубинных разломов. Рассмотренный процесс получил название гранитизация. Возможно, что таким путем образовались огромные массы гранитных батолитов.

Активный вынос легколетучих соединений, обусловливающих гранитизацию мощных толщ осадков, происходит не повсеместно  на поверхности земного шара, а  лишь в определенных структурных  элементах земной коры — геосинклиналях. Локализация процессов активного  выноса, по-видимому, связана с неравномерным  распределением источников энергии, в  частности, масс радиоактивных элементов  в мантии. Таким образом, континенты, кора которых содержит гранитный  слой, можно рассматривать как  участки земной коры, в пределах которых особенно активно происходил вынос легколетучих и легкоплавких химических соединений из мантии. На площади  распространения океанической коры этот процесс происходил менее активно, о чем свидетельствуют не только меньшая мощность слоя выплавленных базальтов, но и бедность океанических базальтов многими химическими  элементами по сравнению с базальтами континентальной коры. По расчетам А.Б. Ронова и А.А. Ярошевского, общая  масса вещества, вынесенного из мантии в континентальную кору, составляет 22,37*10¹⁸ т, а в океаническую — почти в четыре раза меньше.

Особенно важное значение процесс образования континентальной  земной коры имел для перераспределения  металлов. Как следует из данных таблицы 6, содержание одних металлов резко возрастает в гранитном  слое по сравнению с исходным веществом  мантии,

Таблица 6

Перераспределение некоторых  редких и рассеянных химических элементов  в процессе образования земной коры, в 1-10^-3 %

Элементы	Каменные метеориты	Породы верхней мантии (дунит и др.)	Породы земной коры
			базальты	гранитоиды
Элементы, концентрирующиеся  в гранитоидах
Ва Zr Sn Pb U	0,6 3 0,1 0,02 0,0015	0,1 3 0,05 0,01 0,0007	30 10 0,15 0,8 0,05	83 20 0,3 2 0,35
Элементы, концентрирующиеся  в базальтах
Ti V Сu Zn	50 7 10 5	30 4 2 3	900 20 20 13	230 4 2 66
Элементы, содержание которых  уменьшается в земной коре
Ni Со Сг Hg Pt	1350 80 250 0,3 0,2	200 20 200 0,001 0,02	160 4,5 90 0,009 0,01	0,8 0,5 2,5 0,008 -

а содержание других — уменьшается. В процессе выплавления вещества земной коры в мантии задерживались  металлы группы железа — никель, кобальт, хром, отчасти марганец. Поэтому  содержание никеля в породах верхних  горизонтов Земной коры по сравнению  с содержанием в исходном веществе уменьшается в десятки раз, примерно в сто раз уменьшается содержание кобальта и хрома, в тысячу раз  платины. В процессе выплавления  земной коры уменьшилось также содержание ртути, но это произошло по причине  выноса паров этого металла, поступавших  в атмосферу и растворявшихся в природных водах.