Вещественный состав Земли

Химические элементы. На Земле установлено около 300 химических элементов и их изотопов. Изотопы (греч. исос - равный, топос - место) обладают теми же свойствами, зарядом ядра и порядковым номером, что и соответствующий химический элемент, но отличаются от него атомным весом.

В 1989 году американский геохимик Фрэнк Кларк впервые определил средние содержания химических элементов в земной коре. В честь него русский академик А.Е. Ферсман предложил называть «кларками» средние содержания химических элементов в земной коре.

Исследователи приводят разные данные о химическом составе земной коры. Наиболе распространенными элементами являются: кислород (46,6-49,1 % масс.), кремний (26,0-29,5 %), алюминий (7,45-8,14 %), железо (4,20-5,00 %), кальций (2,71-3,63 %), натрий (2,01-2,83 %), калий (2,35-2,59 %) и магний (1,79-2,35 %). На долю остальных элементов приходится менее 1%. В природе встречаются участки, в пределах которых фактическое содержание того или иного химического элемента существенно выше его кларкового значения. Такие участки исследуются геологами с целью выявления месторождений полезных ископаемых.

Химический состав Земли не постоянен. С одной стороны, земная кора непрерывно пополняется космическим веществом. Оно выпадает на Землю в виде метеоритов и космической пыли. С другой стороны, сама Земля отдает в мировое пространство часть своего вещества. Например, гелий, неон, водород, азот и другие газообразные элементы и соединения.

Кроме того, некоторые химические элементы, например радиоактивные, со временем изменяются. Так, уран и торий, распадаясь, превращаются в устойчивые элементы - свинец и гелий. Это даёт основание предполагать, что в минувшие геологические эпохи кларки урана и тория были, очевидно выше, а кларки свинца – ниже, чем сейчас. По – видимому, это относится и ко всем другим элементам, подверженным превращениям.

Изотопный состав некоторых химических элементов со временем меняется. Изотоп урана U²³⁸ имеет период полураспада (в годах), равный 4,5·10⁹, а U²¹⁵ – 7.1·10⁸ степени. По А.А. Саукову, два млрд. лет назад атомов изотопа U²³⁵ на Земле было почти в шесть раз больше, чем сейчас.

Минералы. Однородные по составу, внутренней структуре и свойствам твёрдые химические соединения называются минералами (лат. Минера - руда). Известно более 3 тысяч минералов. Некоторые исследователи относят к ним и жидкие природные вещества - жидкую ртуть, воду, нефть.

Большинство минералов являются кристаллами (греч. кристаллос - лёд.) И обычно имеют форму многогранников (рис. 16).

Рис. 16. Кристаллические формы минералов: 1- равновытянутый кристалл сфалерита (тетраэдр); 2- вытянутый в одном направлении кристалл серы (пирамидальный); 3- вытянутый в двух направлениях кристалл кальцита (ромбоэдр).

Примеры: равновытянутый кристалл сфалерита (тетраэдр), вытянутый в одном направлении кристалл серы (пирамидальный), вытянутый в двух направлениях кристалл кальцита (ромбоэдр).

Кристаллы обладают симметрией внешней формы. Атомы и ионы в кристаллической решетке располагаются в постоянных точках (узлах)-в строго определенном для каждого минерала порядке. Углы между гранями кристалла также всегда постоянны. Основными элементами кристаллической решетки являются центры, оси и плоскости симметрии.

Плоскость симметрии делит фигуру кристалла на две зеркально-подобные части. При повороте кристалла вокруг оси симметрии эта фигура совмещается сама с собой. Минимальный по объёму параллелепипед, отражающий все характерные особенности кристалла, называется элементарной ячейкой. Основными кристаллографическими константами такой ячейки являются ребра и углы между ними. Изучение их взаимоотношений позволило установить 32 класса симметрии кристаллов.

Каждый кристалл ограничен гранями одной или нескольких простых форм. Среди них по степени симметрии выделяют семь сингоний (греч. син-вместе, гониа-угол). Высшая сингония – кубическая. В ней ребра кристаллов расположены под прямыми углами по трём осям координат и равны между собой. К низшим сингониям относятся ромбическая, моноклинная, триклинная. Они характеризуются неравенством ребер, прямыми (ромбическими) или не равными 90° углами. Средние – это тетрагональная (ребра по двум осям равны, все углы прямые), гексагональная (ребра по двум осям равны, два угла прямые, один равен 120°) и тригональная (все ребра равны 90°) сингонии.

Подсчитано, что около 38% минералов кристаллизуется в триклинной и моноклинной, 23%-в ромбической, 10%-в тригональной, 7,5%-в гексагональной,9,5 %-в тетрагональной, 12%-в кубической сингониях.

Внутреннее строение и химический состав минералов определяют их физические свойства. Это-плотность, теплопроводность, электропроводность, радиоактивность, а также механические, оптические, люминесцентные, магнитные и другие свойства.

Минералы отличают друг от друга по их внешним постоянным диагностическим признакам. Таковыми являются: облик кристаллов, цвет минерала, цвет черты, а также такие механические свойства, как спайность, твёрдость и др.

Облик кристаллов - это их форма. Различают кристаллы, вытянутые в одном направлении (призматические, столбчатые, игольчатые, волокнистые); вытянутые в двух направлениях (таблитчатые, пластинчатые, листовые, чешуйчатые) и одинаково развитые по трём измерениям - изометричные (куб, октаэдр и др.)

Цвет - обычно постоянный признак минерала. Но иногда один и тот же минерал бывает окрашен в различные цвета. Например, кварц бесцветен (горный хрусталь). Но некоторые разновидности его окрашены в фиолетовый (аметист), золотистый (цитрин), дымчатый (раухтопаз) и чёрный (морион) цвета. Такая окраска зависит от посторонних примесей. Если разрезать длинный кристалл турмалина вдоль оси, то он окажется послойно окрашенным в самые разнообразные цвета: розовый, зелёный, голубой, бурый, чёрный.

Цветом черты минерала называется цвет следа, остающегося на матовой шероховатой поверхности фарфоровой пластинки, оцарапанной каким-либо минералом. Обычно цвет черты совпадает с цветом самого минерала. Но иногда между ними наблюдается резкое отличие. Например, чёрный гематит имеет красную черту, а соломенно-жёлтый пирит - черную.

Спайность-это свойство минералов раскалываться по ровным плоскостям в определённых кристаллографических направлениях. Оно обусловлено строением кристаллической решетки минералов. Различают следующие виды спайности: весьма совершенную, среднюю и несовершенную. Весьма совершенной спайностью обладают такие минералы как слюды, хлорит и др. Их кристаллы легко расщепляются. Кристаллы кальцита, флюорита, полевого шпата имеют совершенную спайность. Они раскалываются, образуя гладкие блестящие поверхности. На обломках минералов, обладающих средней спайностью (например, пироксенов), наряду с неровными поверхностями отчетливо видны и гладкие блестящие поверхности. В случае несовершенной спайности, зёрна минералов ограничены неправильными поверхностями, за исключением граней кристаллов (например, кварц, пирит). Число плоскостей спайности зависит от симметрии (сингонии) кристалла. Так, у сфалерита (кубическая сингония) имеется шесть разно ориентированных плоскостей спайности. Минералы низших сингоний имеют спайность только в одном направлении. Например, весьма совершенная спайность слюды мусковита. Минералы с хорошей спайностью, легко раскалывающиеся на пластины, называются шпатами (термин шведского происхождения).

Твердость минералов обусловлена прочностью их кристаллической решетки. Одним из распространенных способов определения относительной твердости минералов является царапание исследуемого минерала острыми краями эталонных минералов шкалы Мооса. Эта десятибалльная шкала предложена в 1811 г. немецким ученым Ф. Моосом. Твердость эталонных минералов в ней соответствует их номерам.

Относительная твердость минралов по шкале Мооса.

Минерал	Твердость	Минерал	Твердость
Тальк	1	Ортоклаз	6
Гипс	2	Кварц	7
Кальцит	3	Топаз	8
Флюорит	4	Корунд	9
Апатит	5	Алмаз	10

Если эталонный минерал оставляет царапину на поверхности исследуемого минерала, то твердость последнего меньше твердости эталонного материала.

Плотность. По плотности (массе единичного объёма вещества) минералы подразделяются на лёгкие (до 2500 кг/см³), средние (2500-4000 кг/см³), тяжёлые (4000-8000 кг/см³) и весьма тяжёлые (более 8000 кг/см³).