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 1889 г. 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. Наиболее распространенными элементами являются: кислород (46,6-49,1% мас.), 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, возможно, 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 дает основание предполагать, что в минувшие геологические эпохи кларки урана и тория были, очевидно, значительно 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 U²³⁵ - 7,1 ·10⁸ степени. По А.А.Саукову, два млрд. лет назад атомов изотопа U ²³⁵ на Земле было почти в шесть раз больше, чем сейчас.

Минералы. Однородные по составу, внутренней структуре и свойствам твердые химические соединения называются минералами (лат. " минера"- руда). В настоящее время известно около 4 тысяч минералов, имеющих кристаллическую (греч. "кристаллос" - лёд) структуру. Обычно они имеют форму многогранников (рис. 5). Некоторые исследователи относят к минералам и природные жидкие вещества - жидкую ртуть, воду, нефть.

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 - к у б и ч е с к а я. В ней ребра кристаллов расположены под прямыми углами по трем осям координат и равны между собой. К низшим сингониям относятся р о м б и ч е с к а я, м о н о к л и н н а я, т р и к л и н н а я. Они характеризуются неравенством ребер, прямыми (ромбическая) или не равными 90° углами. Средние - это т е т р а г о н а л ь н а я (ребра по двум осям равны, все углы прямые), г е к с а г о н а л ь н а я (ребра по двум осям равны, два угла прямые, один равен 120°) и т р и г о н а л ь н а я (все ребра равны, углы не 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 др. 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, твердость и др.

Облик кристаллов - это их форма. Различают кристаллы, вытянутые в одном направлении (призматические, столбчатые, игольчатые, волокнистые); вытянутые в двух направлениях (таблитчатые, пластинчатые, листоватые, чешуйчатые) и одинаково развитые по трем 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 черный (морион) цвета. Такая окраска зависит от посторонних примесей. Если разрезать длинный кристалл турмалина вдоль оси, то он окажется послойно окрашенным в самые разнообразные цвета: розовые, зеленые, голубые, бурые, черные.

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

Спайность - это свойство минералов раскалываться по ровным плоскостям в определенных кристаллографических направлениях. Оно обусловлено строением кристаллической решетки минералов. Различают следующие виды спайности: весьма совершенную, 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 зерна 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 (табл. 1).

Таблица 1