Курс 3 - Състав CH MIN
Документи
III. ХИМИЧЕН И МИНЕРАЛОГИЧЕН СЪСТАВ НА ГЛОБУСА 21% от земната повърхност принадлежи на сушата и 79% на океаните. Изчисляване на обемите
Заема континенталната и океанската кора имат различно съотношение: континентална и преходна кора и 79%, а океанска само 21%. Това съотношение е важен елемент, който се взема предвид при оценка на цялостния състав на кората.
Тъй като материята в кората е известна, се образуват химични елементи, които се комбинират по точни закони, за да образуват минерали, които от своя страна са свързани с образуването на скали.
Фиг. 3.1. Периодична таблица на елементите (вижте за подробности - http://www.chemicool.com)
Скалите образуват литологични единици, които накрая съставляват различните видове скали: континентални,
преходни и океански. За оценка на химичния, минералогичния и петрографския състав на континенталната кора бяха
използвахме различни методи, но при всички методи изхождахме от състава на скалите, излизащи на повърхността на континентите и от данните от сондажа. Оценките отразяват състава на горните му слоеве (седиментни и гранитни ями). За долния слой (базалтов) съставът е оценен с помощта на геофизични данни.
Оценката на състава на океанската кора също е направена по различен начин за съставните слоеве. Съставът на седиментния слой беше добре определен поради пробите, получени чрез драгиране от океанското дъно, а базалтовият слой първоначално беше изследван по геофизични методи, по-късно чрез директно изследване на магматити във вулканични острови и напоследък с дълбоко морско сондиране. Основата на базалтовия слой е изследвана само геофизично.
1. ХИМИЧЕН СЪСТАВ От 111 елемента в таблицата на Менделев само 90 са естествени и от
тези само 12 достигат концентрации по-високи от 0,1% (тегловни проценти) и са по-добре представени в състава на скалата (фиг. 3.1; 3.2): O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, Ti, H, P и Mn,
общо 99,23% от химичния му състав. Останалите 0,77% принадлежат към останалите 79 известни елемента.
Както се вижда от таблицата, кислородът и силиций съставляват 72,4% от химичния състав на минералите и скалите в земната кора, което обяснява широкото разпространение на силициевите минерали и оксиди. Също така има промяна в теглото на желязото и магнезия в средния състав на Земята в сравнение с кората, като двата елемента се намират в много по-големи количества в мантията и ядрото.
Фиг. 3.2. Основните химични елементи в кората и в състава на Земята (по Skinner and Porter, 1980)
Според Голдшмид химичните елементи в състава на Земята могат да бъдат групирани в следното
семейства: - атмосферни елементи: H, C, O, N, Cl, I, Br и инертни газове, чести в атмосферата, хидросферата и
Биосфера; - литофилни елементи: Li, Na, Mg, Al, Si, Ti, Ca и др., които преобладават в състава на кората
земна и долна литосфера;
Фиг. 3.3. Моделите на Goldschmidt и Suess за разпределение на химичните елементи във вътрешните геосфери и името
в зависимост от химичния състав (след Olaru, 2004)
- сидерофилни елементи: Fe, Ni, C, P, Co, Ge и др., с висок афинитет към желязото и по-концентрирани
избран във вътрешните ями (ядро);
- халкофилни елементи: S, P, Cr, Mn, Cu, Zn, Pb, Fe, As, Ag и др., с афинитет към сяра, присъстваща в метеори, но концентрирана в метални сулфиди с икономическо значение (смес, гален, пирит, халкопирит и др.).
Чрез концентриране на елементите във вътрешните геосфери по плътности се получават моделите Goldschmidt и Suess със специфични имена за тях (фиг. 3.3).
Друг подход разделя химичните елементи според тяхната склонност към комбиниране, като разграничава петрогенните елементи (Li, Na, K, Rb, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, B, Al, C, Si, Ti, Zr, N, P, V, O, F, Cl) и металогенни елементи (Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Cr, Mo, Te, W, Co, Ni, Pt, U). Манганът и желязото се държат на границата между двете групи елементи, като имат двойна роля.
2. МИНЕРАЛИ НА ЗЕМНАТА КОРА
Чрез комбинации, извършени в съответствие със специфични закони, химическите елементи, съществуващи в кората
образува минерални вещества, присъстващи в природата в твърда, течна и газообразна форма. Повечето от минералите са в твърда форма и имат кристална структура, но има и минерали с аморфна структура, а според някои автори някои органични вещества като кехлибар и вар.
2.1. Понятия за кристалография Атомната структура на материалите, експериментално проверена с помощта на рентгенови лъчи, показва това значение
има прекъсната структура, образувана от атоми, разделени един от друг с междуатомни пространства. В зависимост от това как частиците са разположени в пространството, могат да се разграничат следните ивици
структурна - аморфно състояние, при което частиците са подредени напълно неподредени; - нематичното състояние, при което частиците имат тенденцията да се подреждат в ред след един
посока, образуваща успоредни линии; - смектично състояние, при което частиците имат тенденция да се подреждат в ред след две
посоки, реализиращи равнини, които от своя страна са подредени безредно; - кристалното състояние, при което частиците периодично се подреждат в три посоки в пространството. Нематичните и смектичните звезди се намират само в случай на някои органични вещества, така че не в случая на
минерали, считани за междинни слоеве между аморфното състояние и кристалното състояние. Веществата с такива ивици се наричат още мезоморфни, меки кристали или течни кристали.
По принцип всеки минерал може да бъде както кристален, така и аморфен, но аморфното състояние е физически и химически нестабилно, така че всички минерали имат естествената тенденция да се променят в кристални, стабилни форми.
Кристализирани и аморфни минерали. Минералите са еднородни тела от физико-химична гледна точка, като минералните видове са основната единица в минералогичните изследвания.
Аморфните минерали имат структура, характеризираща се с неподредено подреждане на атоми, йони или молекули. Аморфните минерали никога не са естествено ограничени от равнинни такси, като имат тенденция да образуват заоблени, сфероидни, бъбречни, обикновено неправилни форми.
Кристализираните минерали са естествени геометрични конструкции, при които атомите, йоните или молекулите са подредени подредено и периодично по X, Y и Z направленията на пространството, наречени кристалографски посоки. Поради тази подредба минералите имат многостранни форми, граничещи с равнинни такси, които се пресичат по прави ръбове.
Естествените геометрични конструкции, при които атомите са подредени периодично в три (или четири) посоки в пространството, характеризиращи се със симетрия, са известни като кристални мрежи. Те са изградени от ириси и ретикуларни равнини. Посока, в която атомите са подредени в пространството периодично (на равно разстояние), се нарича решетка ir. Решетката се получава практически чрез пренасяне в посока X, периодично, със същото разстояние, геометричен мотив (в случая атоми, молекули, сложни йони и т.н.) (фиг. 3.4.1). Разстоянието е периодът или параметърът на ретикуларния ирис. Ако се направи ретикулярна линия по друга ос, обозначена с Y, с параметър b, се получава ретикулярна равнина, характеризираща се с параметри a и b (фиг. 3.4.2). След това, ако решетъчната равнина се преведе след a
ос, маркирана с Z, с параметър c се получава ретикуларна мрежа (кристална мрежа), характеризираща се с параметри a, b, c (= междуатомни разстояния по трите оси X, Y, Z). Трите посоки X, Y, Z, след които ретикулярните ириси представят максимална плътност, се наричат кристалографски оси (фиг. 3.4.3).
Най-малкото разделение на кристалографската мрежа, характеризиращо се с параметрите a, b и c, се нарича елементарна клетка или елементарен паралелепипед. Елементите, които определят елементарния паралелепипед, са междуатомните разстояния по трите кристалографски оси: a, b, i c и ъглите, направени от равнините, определени от кристалографските оси:, i (фиг. 3.4.4).
Фиг. 3.4. Кристални мрежи (след Androne, 2008)
(1 - ретикуларна ir; 2 - ретикуларна равнина; 3 кристална мрежа; 4 елементарни паралелепипеда)
Елементи на симетрия. Разбира се геометричната симетрия на фигура (кристализиран минерал)
свойството на фигурата да съвпада със себе си чрез прилагане на симетрични операции (например въртене на тялото). Елементите на симетрия могат да бъдат прости (включват единична операция на симетрия, например огледално отражение) и сложни, включващи две операции на симетрия (например въртене на огледалото). Елементите на симетрия са характерни само за кристализирали минерали.
а) Простите елементи на симетрия са оси на симетрия, равнини на симетрия и центрове на симетрия.
Оста на симетрия е посока на кристала, около творението, въртящо кристала на 3600, всичките му елементи (такси, ръбове, ъгли) се повтарят n пъти; n представлява реда на оста на симетрия. В минералното царство са възможни само оси на симетрия от порядък 1, 2, 3, 4 и 6. Операцията на симетрия, съответстваща на осите, е въртенето, което се извършва с брой градуси, равни на 3600/n, така че с 3600, 1800, 1200, 900 и 600. Осите могат да бъдат биполярни (с еднакви елементи, групирани в двата края на оста) и полярни (с елементи на симетрия, групирани в единия край на оста). Обозначението на оста е от тип An, където n представлява реда на оста (1, 2, 3, 4 или 6). В кристалите оси от по-висок ред (3, 4 и 6) са уникални, с изключение на кубичната система, където се появяват няколко оси от по-висок ред (3A4 4A3).
Плоскостта на симетрията разделя кристала на две равни и симетрични части, така че едната от тях се появява като огледален образ на другата. Нотацията на равнините е от типа Pn, където n представлява реда на оста на симетрия, на която равнината е перпендикулярна. Операцията, характерна за равнините на симетрия, е огледална.
Центърът на симетрията е точката във вътрешността на кристала, към която се намира всеки елемент