5. Химический состав Земли: основные химические элементы, слагающие земную кору, мантию и ядро. Агрегатное состояние вещества геосфер Земли, плотность

Химические изменения в земной коре определяются преимущественно геохимической историей главных породообразующих элементов, содержание которых составляет свыше 1%. Вычисления среднего химического состава земной коры проводились многими исследователями как за рубежом (Ф. Кларк, Г. С. Вашингтон, В. М. Гольдшмидт, Ф.Тейлор, В. Мейсон и др.), так и в Советском Союзе (В.И.Вернадский, А. Е. Ферсман, А. П. Виноградов, А. А. Ярошевский и др.)

Сопоставляя приведенные данные, видно, что земная кора больше чем на 98% сложена О, Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, К, при этом свыше 80% составляют кислород, кремний и алюминий, в отличие от среднего состава Земли, где содержание их резко уменьшается. Особенно высоко содержание кислорода, поэтому В. М. Гольдшмидт называет земную кору оксисферой, или кислородной оболочкой Земли.

О химическом составе Земли и ее геосфер дают представление:

1- химический состав земной коры,

2 - химический состав метеоритов.

Химический состав земной коры изучен достаточно детально - известен ее валовый химический состав и роль химических элементов в минерало- и породообразовании. Труднее обстоит дело с изучением химического состава мантии и ядра. Прямыми методами мы этого пока сделать не можем. Поэтому применяют сравнительный подход. Исходным положением является предположение о протопланетном сходстве между составом метеоритов, упавших на землю, и внутренних геосфер Земли.

Все метеориты, попавшие на Землю, по составу делятся на типы:

1-железные, состоят из Ni и 90% Fe;

2-железокаменные (сидеролиты) состоят из Fe и силикатов,

3-каменные, состоящие из Fe-Mg силикатов и включений никелистого железа. Мицутани Ш. Указ.соч. С. 65.

На основании анализа метеоритов, экспериментальных исследований и теоретических расчетов ученые предполагают (по таблице), что химический состав ядра - это никелистое железо. Правда, в последние годы высказывается точка зрения, что кроме Fe-Ni в ядре могут быть примеси S, Si или О. Для мантии химический спектр определяется Fe-Mg силикатами, т.е. своеобразный оливино-пироксеновый пиролит слагает нижнюю мантию, а верхнюю - породы ультраосновного состава.

Химический состав земной коры включает максимальный спектр химических элементов, который выявляется в многообразии минеральных видов, известных к настоящему времени. Количественное соотношение между химическими элементами достаточно велико. Сравнение наиболее распространенных элементов в земной коре и мантии показывает, что ведущую роль играют Si, Al и О2.

Геофизическое, геохимическое и геологическое «открытие» Луны и зондирование других планетных тел позволили приступить к построению моделей их геосфер, но не дали пока однозначных ответов на коренные вопросы структуры и состава внутренних оболочек планет земного типа.

«Неклассические» теории гравитационного поля позволили трактовать «грависферу» (термин Р. М. Деменицкой, 1967 г.) как естественное земное тело, взаимодействующее с другими гравитационными полями Космоса (П. Йордан, 1955 г.; Р. Дикке, 1961 г.; С. С. Николаев, 1960 г.; Г. Ф. Лунгерсгаузен, 1963 г.). С динамикой грависферы стали увязываться планетарные структуры Земли (М. В. Стовас, 1951 г.; Э. Краус, 1959 г.;Б.Л.Личков, 1960 г., и др.). Геогрависфера, определяющая сферическую симметрию всех геосфер, исследуется астрономией, геофизикой, геодезией, геологией. Устанавливаются эквипотенциальные или уровневые поверхности гравитационного поля (наиболее внешняя около миллиона километров от центра Земли), которыми разграничиваются гравитационные оболочки более высоких порядков -- геоида и др. Рассчитывается фигура планеты и распределение плотностей (Г. Джеффрис, 1952 г.; К. Буллен, 1953 г.) и уточняются теории приливов (Н. Н. Парийский, 1963 г.) и изостазии.

Если взаимосвязь грависферы с вещественными массами Земли и Луны сравнительно проста, то сложнее взаимодействия вещественных геосфер с геоэлектромагнитосферой, которая с развитием квантовой теории поля признается как целостное естественное тело. Электромагнитосфера с ее разномасштабными и быстро меняющимися подсистемами и компонентами находится в весьма сложном активном взаимодействии с электромагнитными полями Солнечной системы. Электромагнитосфера, локально, в виде «хвоста», выходящая за пределы грависферы, обладает по сравнению с последней менее выраженной центральной симметрией. Происхождение, динамику и структуру электромагнитосферы связывают с гипотетическими перемещениями вещества в ядре Земли (так называемая динамотеория -- В. Эльзассер, 1939 г.; Э. Буллард, 1950 г.). Заметим, что объяснение наблюдаемых вариаций поля гипотетическим механизмом приводит к некоторому логическому кругу, поскольку само существование механизма выводится из наблюдаемых вариаций. Подобная теоретическая «самоиндукция», легкоуязвимая для формально-логической критики, распространена в науках о Земле и часто оправдывается.

Данные по электромагнитосфере, как и грависфере, служат индикатором внешних и внутренних вещественных геосфер. Верхняя подсистема электромагнитосферы, не вполне точно именуемая магнитосферой, открыта и исследована ракетным и спутниковым зондированием; к ее внешней стороне (около 80 тыс. км от центра Земли) приурочена переходная область околоземной и солнечной плазмы -- магнитопауза. Ионосферная плазма образует первую сверху вещественную агрегатную геосферу. К ионосфере и частично перекрывающим ее внешним зонам атмосферы приурочены радиационные поясы Земли (Дж. Ван Аллен, Л. А. Франк, С. Н. Вернов, А. Е. Чудаков). В атмосфере -- второй агрегатной вещественной геооболочке -- по термическим данным выделяются верхние слои: сначала термосфера (с 1952 г.), а затем вышележащая экзосфера (конец 50-х -- начало 60-х гг.). Эти слои из-за неоднородности состава объединяются под названием гетеросферы, а все нижележащие воздушные слои -- гомосферы.

В гетеросфере содержатся примитивные газообразные минералы, которые в гомосфере, начиная с мезосферы, образуют ассоциации газовых минералов, эквивалентные уже горнопородному уровню. В нижних слоях стратосферы и в тропосфере метеорологией и климатологией изучаются более сложно организованные водно-воздушные геосистемы, близкие по уровню организации естественным телам типа геоформаций. Примерно на тех же уровнях (минеральном, горнопородном, геоформационном) организовано вещество третьей агрегатной оболочки -- гидросферы, целостное представление о которой вслед за Вернадским развивает Б. Л. Личков (1960 г.). Преимущественно же гидросфера исследуется по оболочкам и подсистемам высоких порядков -- Мировому океану (океаносфере, по В. Н. Степанову, 1974) и его слоям и зонам, пресным и соленым водам суши, мерзлотной, ледовой и снежной оболочкам, подземным и атмосферным водам и др. Тесно взаимодействующие атмосфера и гидросфера дифференцируются на взаимосвязанные географические и климатические подсистемы. С точки зрения геофизического синтеза существенно установление слоев пониженной скорости сейсмических волн (волноводов) в атмосфере, гидросфере и террасфере (Б. Гутенберг, 1960 г.).

Основой интеграции представлений о «твердой» Земле-- террасфере -- по-прежнему являются данные сейсмометрии, затем гравиметрии, магнитометрии и электрометрии, термометрии, а также геохимические и минералого-петрографические экстраполяции, геолого-тектонические гипотезы. Структурный каркас террасферы, намеченный ранее сейсмическими моделями Б. Гутенберга -- К. Буллена, детализируется и по-разному интерпретируется с применением ЭВМ. Исходным эмпирическим репером служит вещество земной и лунной коры, а также метеоритов. Там же. С. 70.

В 40--50-х гг. обосновывается горизонтальная неоднородность земной коры (оболочки А) по континентальному и океаническому ее типам (Е. Ф. Саваренский, 1940 г.; Г. А. Гамбурцев, 1954 г.; М. Юинг и Ф. Пресс, 1955 г.). Континентальная кора глубиной до 35--60 км образована стратисферой и подстилающими слоями -- гранитно-метаморфическим и нижележащим «базальтовым», предположительно гранулито-базитовым. Океаническая кора мощностью 4--8 км лишена «гранитного» слоя и состоит из слоя неконсолидированных осадков, подстилающего их базальтового «вулканического» слоя, а также нижележащего «базальтового» слоя, по-видимому аналогичного таковому в континентальной коре. Дискутируется природа границы Мохо, которая может быть либо фазовой, либо химической, либо той или иной в разных местах. Природа твердой земли. С. 59. Разделу Мохо уже не придается решающего геологического значения, хотя возможно, что ниже его не распространяется геоформационная дифференциация литосферы.

Список использованной литературы

1. Алиссон А. Геология. Наука о вечно меняющейся Земле / А. Алиссон, Д. Палмер. М.: Мир, 1984. 568 с.

2. Браун Д. Недоступная Земля / Д. Браун, А. Массет. М.: Мир, 1984. 262 с.

3. Бутвиловский В.В. Основы устройства и способы развития литосферы Земли. Т. 1. / В.В. Бутвиловский. Новокузнецк: Новокузнецкий государственный педагогический институт, 1995. 108 с.

4. Гаврилов В.П. Общая и историческая геология и геология СССР / В.П. Гаврилов. М.: Недра, 1989. 495 с.

5. Короновский Н.В. Планета Земля. От ядра до ионосферы. Учебное пособие / Н.В. Короновский, В.Е. Хаин. М.: КДУ, 2007. 244 с.

6. Курков А.А. Физическая география / А.А. Курков, П.П. Кучерявый, В.В. Орленок, С.Н. Тупикин. Калининград: Калининградский государственный университет, Калининград, 1998. 80 с.

7. Мицутани Ш. Геологические структуры / Ш. Мицутани, Т. Уемура. М.: Недра, 1990. 292 с.

8. Петров Н.Ф. Общая геология. Общие сведения о Земле, эндогенные геологические процессы. Учебное пособие / Н.Ф. Петров. Чебоксары: Издательство Чувашского университета, 2000. 176 с.

9. Природа твердой земли. Т. 60. / Под ред. Беус А.А., Кейлис-Борока В.И., Робертсон Ю. М.: Мир, 1975. 281 с.