Химический состав земной коры и мантии

Рассмотрим сначала строение земной коры (рис.2.2).

Рис. 2.2

Различие между материками и океанами хорошо видно на графике, показывающем распределение площади поверхности твёрдой Земли по уровням (как выше, так и ниже уровня моря). Такой график (гипсометрическая кривая) представлен вместе с гистограммой. Гистограмма имеет бимодальную форму с максимумами около уровня моря, что соответствует материкам, и вблизи глубины 5 км, соответствующей дну океанов. Горные хребты и океанические желоба занимают очень малую часть земной поверхности.

Если присоединить к материкам подводные части, которые мы будем грубо определять как площади, покрытые морями глубиной менее 1 км, то получится, что общая площадь материков составляет около 40% земной поверхности, тогда как фактически над уровнем моря находится только 29%.

Увеличение мощности земной коры в горных районах приводит обычно к образованию так называемых «корней» у крупных горных систем.

Для изучения химического состава земной коры специалисты используют данные анализа вещества самого верхнего слоя толщиной порядка 16 км по выходам в разных местах пород различного состава, а также пород, пройденных буровыми скважинами, продуктов извержений вулканов, связанных с астеносферой и вещества метеоритов. По этим данным геологи оценили распространенность различных типов горных пород в земной коре (см. таблицу).

По объему в земной коре занимают первое место метаморфические и магматические горные породы основного состава (24% кремния). На втором месте находятся породы кислого состава (32,3% кремния). На долю всех осадочных пород в этом перечне приходится примерно 10%.

А. Континентальная кора (рис. 2.2) (толщина в среднем 35 км).

Верхняя часть коры

Геологами установлено, что средний состав самой верхней части континентальной коры заключён между кислыми и основными изверженными породами, или точнее, между гранодиоритами и кварцевыми диоритами.

Нижняя часть коры.

Эта часть коры практически не изучена. Сведения о минералогическом и химическом составе нижней части коры при давлениях до 30 кбар и температурах между 1000 и 1200°С были получены при исследованиях устойчивых минеральных ассоциаций в породах базальтового состава, лишенных воды (Green, Ringwood, см таблицу 2).

Таблица 2

В другой возможной интерпретации нижняя часть коры принимается «влажной»: породы базальтового состава представлены амфиболитом – стабильной формой в присутствии водяного пара при значительном его давлении и температуре ниже 500°С. Типичной минеральной ассоциацией в этих условиях были бы амфибол, плагиоклаз, эпидот и богатый железом гранат.

Б. Океаническая кора

Океаническая кора не только тоньше континентальной, но и строение её имеет иной характер. Различие ещё больше подчёркивает открытие геологической молодости океанической коры; её преобладающая часть сформировалась в последние 200 млн. лет, в то время как возраст континентальной коры может достигать 3 млрд. лет.

Океаническая кора состоит из 3-х слоёв. 1-ый слой осадочный (m = 3 км), состоит из пелагических осадков, красных глин и турбидитов. Его возраст – верхний мел.

Слой 2 сложен базальтовыми лавами, либо уплотнёнными осадками. Наблюдаемые повсеместно интенсивные и изрезанные магнитные аномалии вызваны, главным образом, сильными горизонтальными вариациями намагниченности в слое 2. Среди обычных горных пород только базальтовая лава или изверженные породы аналогичного состава могут вызвать столь большие и последовательно меняющиеся аномалии.

Слой 3 является самым мощным (5 км) и отличается замечательным однообразием толщины и постоянством скорости волн Р. Ранее принималось, что этот слой образован консолидированными основными изверженными породами типа габбро. Существует и другое предположение, что слой 3 сформирован частично серпентинизированными перидотитами, которые образовались гидратацией оливина в мантии вблизи границы Мохоровичича в процессе развития коры под хребтом.

В. Мантия (рис. 2.3)

Мантия – самая большая из 3-х главных оболочек Земли; она занимает 84% объёма и 69% её массы.

С 1960 г. были сделаны важные открытия, которые показали, какую важную роль играет мантия в процессах, совершающихся в Земле. Они дают нам ключ к пониманию механизма, создающего главные структуры земной поверхности.

Состав верхней мантии: ультраосновная порода типа перидотита и эклогит – форма габбро при высоком давлении. Прямую информацию о составе верхней мантии дают оливиновые и перидотитовые включения, часто встречающиеся в базальтах. Эти включения обладают удивительно однообразным минералогическим и химическим составом. В среднем они содержат оливин (60-70%), энстатит с большим содержанием алюминия (около 30%), натриевый диоксид также с алюминием (меньше 10%) и хромовую шпинель.

Рис. 2.3. Схема внутреннего строения Земли (r – радиус, км; Т – температура, тыс. ⁰С; Р – давление, 10¹¹ Па); А – земная кора, В – астеносфера, С – средняя мантия, Д – нижняя мантия, Е – внешнее ядро; F – промежуточная зона, G – внутреннее ядро.

Экспериментальные и теоретические исследования свойств тел при высоких давлениях показали, что кристаллическая структура оливина и пироксена претерпевает значительную перестройку при давлениях, господствующих в переходной зоне. Этот важный факт заставляет прийти к выводу, что фазовый переход, а не изменение химического состава является основной причиной значительного роста сейсмических скоростей и плотности в зоне между верхней и нижней мантией.

Остаётся не выясненным одно важное обстоятельство. Происходит ли, кроме фазовых изменений, изменение химического состава при перемещении через переходную зону в нижнюю мантию? Исследователи заключили, что нижняя мантия содержит больше железа, чем верхняя, и отношение FeO/MgO, равное 0,1 выше переходной зоны, увеличивается до 0.27 ниже неё.