ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 28.09.2020

Просмотров: 4366

Скачиваний: 7

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
background image

 

21 

сера, возможно, кислород. 

Нижняя  мантия

  (слой 

D

  1000-2900  км)  считается  силикатно-сульфидной. 

Ее  химический  состав  примерно  соответствует  каменным  метеоритам: 

О

  –  35%, 

Fe

 –25, 

Si

 –18, 

Mg

 – 14, 

S

 – 2, 

Ca

 – 1,4, 

Al

 – 1,3, 

Ni

 – 1,35, 

Na

 – 0,7, 

Cr

 – 0,25, 

Mn

 – 

0,20%.  А.П.Виноградов  подвергает  сомнению  существование  сульфидной  обо-
лочки,  исходя  из  изотопного  состава  свинца,  подтверждающего  разновозраст-
ность рудных образований. В мантии, по О.Л.Кускову и Н.И.Хитарову (1982), по 
первой гипотезе процессы восстановления невозможны, а по второй их гипотезе - 
происходит  восстановление  силикатов  до  железокремниевого  состава,  формиру-
ющего впоследствии внешнее ядро Земли. 

Переходная  зона

  (слой  С  400–1000км)  имеет,  возможно,  силикатно-

магнезиальный состав. Ее большую плотность объясняют  формированием мине-
ралов с более плотной упаковкой (стишовит, шпинель, периклаз и др.). Основным 
компонентом допускается оливин  

Mg

2

SiO

4

.

 

Верхняя  мантия

  (слой 

В

  от  30  до  400км)  считается  неоднородной  по  эле-

ментарному и изотопному составу. Ряд авторов приравнивают ее состав к хондри-
там.  На  глубине  до  200км  расположен  мягкий  пластичный  слой  с  пониженной 
скоростью  распространения  сейсмических  волн,  получивший  название 

астено-

сферы

. Она выражена в складчатых областях (осадочные отложения) и практиче-

ски  отсутствует  на  платформах.  Считают,  что  перемещение  вещества  в  астено-
сфере, – причина вулканизма и тектонических подвижек. 

В мантии вещество близко до металлического состояния. Породы верхней 

мантии соответствуют ультрабазитам, имеют разный состав и при выходе на по-
верхность близкие к пиролиту (пироксено-оливиновая порода). При плавке пиро-
лит образует базальтовую магму и остаточный перидотит.  

Граница  Мохоровичича

,

  по  одной  гипотезе,  разделяет  химически  разные 

слои, по другой – это поверхность фазового перехода, но она не исключает нали-
чия химической границы. 

Литосфера

 (слой 

А

 от 0 до 30-70км) залегает выше астеносферы и у поверх-

ности в зоне окисления называется 

корой выветривания

. По изменению скорости 

сейсмических волн литосферу делят на верхнюю часть (гранитный слой) и ниж-
нюю часть более тяжелую (базальтовый слой). Их разделяет 

поверхность

 

Конра-

да

Тектоносфера 

выделена  В.В.Белоусовым,  объединяет  литосферу,  астено-

сферу  и  верхнюю  мантию,  с  которой  связаны  тектонические  и  магматические 
процессы.  Ю.М.Пущаровский  (1999)  распространяет  понятие  тектоносферы  на 
всю  мантию.  Сойферт  (1990)  включает  область  Земли,  занимаемую  плитами 
мощностью 400–700км («Планета Земля», 2004).  

Причины, вызвавшие разделение литосферы и мантии пока не ясны. Счита-

ется, что часть мантии, сформировавшейся в результате низкотемпературной ак-
креции космической пыли, претерпела вторичное расплавление под воздействием 
тепла, генерируемого радиоактивными элементами. В результате этого вещество с 
малым удельным весом постепенно переместилось к внешней поверхности Земли. 
Эти породы имеют менее плотную упаковку и обогащены U, Th и 

40

К. 


background image

 

22 

                                                                                                                   Таблица 2 

Основные свойства оболочек Земли (Г.В. Войткевич, В.В. Закруткин, 1976) 

 

Оболочка 

Ин-

декс 
слоя 

Интервал 

глубин, 

км 

Интервал 

плотности, 

г/см

Доля от 

объема 

Земли, % 

Масса, 

10

25

 г 

Мас-

са, % 

Литосфера (кора) 

0-30 (70) 

2,7-3,0 

1,55 

0,8 

Верхняя мантия 

30 (70)-

400 

3,32-3,65 

16,67 

62 

10,4 

Переходная  зона 
мантии 

400-1000 

3,65-4,68 

21,31 

98 

16,4 

Нижняя мантия 

1000-2900 

4,68-5,69 

14,28 

245 

41,0 

Верхнее  жидкое 
ядро 

2900-5000  9,40-11,50 

15,16 

188* 

31,5* 

Переходная  зона 
ядра 

5000-5100 

11,5-12,0 

0,18 

Центральное 
твердое ядро 

5100-6371 

12,0-12,5 

0,76 

* – для всего ядра 
 
По геотермическим исследованиям В.А. Магницкого (1965), наиболее веро-

ятны следующие температуры глубин Земли: 

100км – 1100–1300

о

С, 

400км – 1400–1700

о

С, 

2900км – 2200–4700

о

С. 

Согласно  табл.  2,  мантия и ядро  примерно  одинаковы  по  мощности (около 

3000км), а литосферу можно представить лишь в виде узкой полоски. Плотность 
пород увеличивается от поверхности к ядру. По объему пород лидирует мантия, 
занимая половину объема Земли, а по массе (67,4%) еще больше превосходит яд-
ро и литосферу. Мантия по химическому составу ближе к литосфере. Содержание 

O,  Si,  Mn,  P

  у  них  примерно  одинаковое.  По  сравнению  с  мантией  литосфера 

обеднена 

Mg, Cr

, а концентрация 

Fe

 лишь незначительно ниже.  

Общий химический состав Земли (табл. 3) в массовых процентах кремниево-

кислородно-железистый,  литосфера  –  алюминиево-кремниево-кислородная,  ме-
теориты  (табл.  4)  –  кремниево-железисто-кислородные,  что  подтверждает  общ-
ность их природы с Землей. 

Сравнительное  содержание  химических  элементов,  по  Г.Вашингтону  и 

А.Ферсману, (см. табл. 3) показывает сходство количественного содержания эле-
ментов. Существенное различие получено для серы, кобальта, марганца. Возмож-
но, объем выборок по этим элементам у авторов был разным. Кроме того, анализы 
выполнялись в разных лабораториях, что повлияло на точность определения хи-
мических элементов. 


background image

 

23 

Таблица 3 

Общий химический состав Земли, масс. % 

 

Эле-

мент 

По 

Г. Вашингтону 

По 

А. Ферсману 

Эле-

мент 

По 

Г. Вашингтону 

По 

А. Ферсману 

Fe 

39,76 

39,90 

Na 

0,39 

0,52 

27,71 

28,55 

Cr 

0,20 

0,26 

Si 

14,53 

14,47 

Co 

0,23 

0,06 

Mg 

8,69 

11,03 

0,11 

0,12 

Ni 

3,16 

2,96 

0,14 

0,15 

0,64 

1,44 

Ti 

0,02 

– 

Ca 

2,52 

1,38 

Mn 

0,07 

0,18 

Al 

1,79 

1,22 

 

 

 

 

Таблица 4 

Относительная последовательность понижения распространенности элемен-

тов, вес. % (Б. Мейсон) 

 

Солнце 

Метеориты 

Земля в целом 

Литосфера 

Fe 

He 

Fe 

Si 

Si 

Si 

Al 

Mg 

Mg 

Fe 

Ni 

Ca 

Si 

Ni 

Na 

Mg 

Ca 

Ca 

Al 

Al 

Mg 

Fe 

Na 

Na 

Ti 

Ca 

Cr 

Cr 

Ni 

Mn 

Mn 

Na 

Co 

Mn 

Al 

Co 

Cu 

Ba 

 
 

3.2.

 Первичная дифференциация элементов 

По  последовательности  преобладающих  химических  элементов  Земля в  це-

лом и метеориты практически дублируют друг друга. Отдельно следует выделить 
распределение элементов на Солнце и в литосфере. 

В  табл.  4  приведено  последовательное  убывание  14  элементов  из  которых 

практически  полностью  построена  Земля,  доля  других  составляет  лишь  0,1%  от 
массы планеты. В других объектах Вселенной эти же элементы также ведущие, за 
исключением 

Н

 и 

Не

 на Солнце, хотя последовательность их по содержанию дру-

гая.  Обычно 

Fe,  Si,  Mg

  являются  лидерами,  за  ними  следуют 

Ni,  Na,  Ca,  Al.

  Ни 

один элемент с номером более 30 не появляется в объектах, за исключением Ва в 

Формат:

 Список


background image

 

24 

литосфере. Основные различия валового химического состава Земли и литосферы 
в том, что 

Fe

  и 

Mg

  менее  распространены  в литосфере,  нет  среди    ведущих  эле-

ментов   

Ni

  и 

S

,  но  увеличена  доля 

Al,  Ca,  Na

. Это  позволяет предположить,  что 

дифференциация вещества Земли привела к концентрации относительно легких и 
легкоплавких алюмосиликатов щелочных металлов на поверхности. 

Первичная  дифференциация  элементов  Земли  представляется  следующим 

образом. Если хондриты рассматривать как планетезимали (твердые тела во Все-
ленной),  сохранившиеся  со  времен  допланетной  стадии  существования  Солнеч-
ной системы, то Земля образовалась в результате их постепенного слипания, что 
подтверждается  табл.  4  по  сходству  и  расположению  в  них  ведущих  элементов. 
Хондритовые метеориты состоят из трех групп твердой фазы: металла в виде ни-
келистого железа, что соответствует ядру Земли, сульфидов с преобладанием же-
леза (состав нижней мантии) и силикатов в виде оливина и пироксена (преобла-
дают  в  литосфере).  Другие  элементы  распределяются  между  этими  группами  в 
соответствии с их относительным сродством к металлу, сульфиду  или силикату. 
Состав этих групп в метеоритах по существу определяется равновесием в системе 

Fe–Mg–Si–O–S

, в которой кислорода больше, чем серы, но их вместе недостаточ-

но, чтобы связать катионы элементов. Поскольку Fe имеет большую распростра-
ненность, чем 

Mg

  и 

Si

, легче восстанавливается до металла и обладает большим 

сродством к сере, то система сводится к равновесию несмешивающихся фаз – же-
лезо-магниевого  силиката,  сульфида  железа  и  свободного  железа,  а  количество 
связанного 

Fe

 зависит от количества 

О

 и 

S

. Из силикатной фазы железо вытесня-

ется более электроположительными элементами. 

 Распределение  остальных  электроположительных  элементов  контролирует-

ся реакциями типа: 

М + Fe

-силикат ↔ 

М-

силикат + 

Fe

М + Fe

-сульфид ↔ 

М

- сульфид + 

Fe

т.е. соотношениями свободных энергий соответствующих силикатов и сульфидов 
со свободной энергией сульфида и силиката железа. 

Таким образом, распределение элементов в гравитационном поле Земли кон-

тролируется их сродством с основными тремя твердыми фазами (железо, сульфи-
ды,  силикаты).  Это  сродство,  в  свою  очередь,  контролируется  строением  элек-
тронных оболочек атомов. Например, уран и торий концентрируются в форме ок-
сидов и силикатов. Золото и платина  легко образуют сплавы с железом, медью. 
Поэтому они чаще встечаются в более глубоких сферах Земли. Гравитация в этих 
случаях лишь косвенно контролирует положение трех твердых фаз.  

 

Формат:

 Список


background image

 

25 

4.

 ИЗОТОПНАЯ ГЕОХИМИЯ 

4.1.

Закономерности изменения и распространения изотопов 

В  геологической  науке  важное  значение  имеет  восстановление  картины 

прошлой жизни горных пород, их генезиса, условий в которых они образовались, 
времени формирования. Эти вопросы оставались бы загадкой и сейчас, но в 1918 
г. Ф. Содди предположил существование изотопов (от греч.:«то же самое место») 
с помощью которых они решаются.  

Изотопы

 – это 

ядерные виды

 или 

нуклиды

 с 

одним и тем же атомным номером, но с разными массами, занимающие одну и ту 
же  клетку  в  Периодической  системе.  Поэтому  атомная  масса  химического  эле-
мента определяется как среднее из суммы масс атомов природных изотопов и вы-
ражается в 

атомных единицах массы

 (а.е.м.). Изотопы бывают стабильные (260) и 

нестабильные (около 1400). По одному изотопу имеют 21 элемент (

Be, F, Na, Al, 

P,  Sc, Mn,  Co, As,  Y,  Nb,  Rh, I, Cs,  Pr,  Tb,  Ho, Tm,  Au, Bi,  Th

).  Относительное со-

держание количества природных изотопов одного химического элемента выража-
ется в процентах. Например, если содержание изотопа 

8 5
3 7

Rb

 составляет 72,15%, то 

из 10 000 атомов рубидия в каком-либо образце на долю этого нуклида приходит-
ся 7 215 атомов.  

Все известные изотопы делятся на четыре типа в зависимости от четного или 

нечетного числа протонов (

Р

) и нейтронов (

N

)  в  их  составе  соответственно:  чет-

ный-четный,  четный-нечетный,  нечетный-четный,  нечетный-нечетный.  Изотопы 
типа четный-четный наиболее распространены в природе и стабильны. Некоторые 
из них имеют массовое число кратное четырем (

16

О, 

24

Мg, 

28

Si, 

40

Ca, 

56

Fe

) и входят 

в состав главных химических элементов литосферы. 

По  изотопному  составу  элементов  отмечены  следующие  закономерности 

(Н.А.Титаева,2000).  У  большинства  элементов  преобладают  изотопы  с  четным 
атомным номером  и только у семи, преимущественно легких элементов (

H, Li, B, 

K, V, La, Ta

), – с нечетным атомным номером. Следующие  элементы – 

Cl, Cu, Ga, 

Br, Rb, Ag,  Sb, Eu, Ta, Re, Ir, Tl 

– состоят из изотопов только с нечетными атом-

ными номерами. Наиболее богаты изотопами элементы в средней части Периоди-
ческой системы: 

Sn

 (10 изотопов), 

Xe

 (9), 

Te, Cd

 (по 8), многие тяжелые элементы 

имеют по 7 изотопов. Под действием космического облучения в атмосфере проте-
кают реакции:  

14

N + n

o

 → 

12

C + 

3

H → 

3

He, 

14

N + n

o

 → 

14

C + 

1

Н. 

Они являются источником 

14

С, 

3

Т, 

3

Не

. В течение геологических отрезков времени 

атомы разрушаются и образуются, превращаются в другие и распадаются. 

Все тяжелые изотопы начиная с  Z > 82 радиоактивны. Ядра неустойчивых 

атомов распадаются самопроизвольно, сопровождаясь эмиссией частиц (α, β) или 
излучением  энергии  (γ).  Этот  процесс  называется 

радиоактивностью

.  Альфа-

лучи представляют собой потоки высокоскоростных частиц – ионов гелия, бета-
лучи  –  потоки  электронов,  гамма-лучи  –  электромагнитные  волны  с  большой 
энергией.  Некоторые  атомы  распадаются  двумя  или  тремя  способами,  большин-
ство – одним, что приводит к превращению атома одного элемента в атом друго-