Курс 3 - Склад CH MIN

Документи

III. ХІМІЧНО-МІНЕРАЛОГІЧНИЙ СКЛАД ГЛОБАСУ 21% поверхні Землі належить суші, а 79% - океанам. Обчислення обсягів це

склад

Займають континентальну та океанічну кору мають різне співвідношення: континентальна та перехідна кори - 79%, а океанічна - лише 21%. Це співвідношення є важливим елементом, який враховується при оцінці загального складу кори.

Оскільки речовина в корі відома, утворюються хімічні елементи, які за чіткими законами об’єднуються, утворюючи мінерали, які в свою чергу пов’язані з утворенням гірських порід.

Рис. 3.1. Періодична система елементів (детальніше див. - http://www.chemicool.com)

Породи утворюють літологічні одиниці, які нарешті складають різні типи луски: континентальну,

перехідний та океанічний. Для оцінки хімічного, мінералогічного та петрографічного складу континентальної кори були

використовували різні методи, але у всіх методах ми виходили із складу гірських порід, що виходять на поверхню на континентах, і з даних буріння. Оцінки відображають склад його верхніх шарів (осадових та гранітних ям). Для нижнього шару (базальтового) склад оцінювали з використанням геофізичних даних.

Оцінка складу океанічної кори також проводилася по-різному для складових шарів. Склад осадового шару був добре визначений завдяки зразкам, отриманим днопоглибленням з дна океану, а базальтовий шар спочатку вивчався геофізичними методами, пізніше безпосереднім вивченням магматитів на вулканічних островах і останнім часом глибоким морським бурінням. Основу базальтового шару досліджували лише геофізично.

1. ХІМІЧНИЙ СКЛАД З 111 елементів таблиці Менделєва лише 90 є природними, і з них

ці лише 12 досягають концентрацій, що перевищують 0,1% (у вагових відсотках) і краще представлені у складі шкали (рис. 3.1; 3.2): O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, Ti, H, P і Mn,

складаючи 99,23% його хімічного складу. Решта 0,77% належать до інших 79 відомих елементів.

Як видно з таблиці, кисень та кремній складають 72,4% хімічного складу мінералів та гірських порід у земній корі, що пояснює широке поширення мінеральних речовин та оксидів кремнію. Також спостерігається зміна ваги заліза та магнію в середньому складі Землі порівняно з корою, причому два елементи знаходяться у значно більших кількостях в мантії та ядрі.

Рис. 3.2. Основні хімічні елементи в корі та у складі Землі (за Скіннером та Портером, 1980)

На думку Гольдшмідта, хімічні елементи у складі Землі можна згрупувати наступним чином

сімейства: - атмосферні елементи: H, C, O, N, Cl, I, Br та інертні гази, часті в атмосфері, гідросфері та

Біосфера; - літофільні елементи: Li, Na, Mg, Al, Si, Ti, Ca та ін., які переважають у складі кори

наземна і нижня літосфера;

Рис. 3.3. Моделі Гольдшмідта та Сьюса для розподілу хімічних елементів у внутрішніх геосферах та назви

залежно від хімічного складу (за Olaru, 2004)

- сидерофільні елементи: Fe, Ni, C, P, Co, Ge та ін., що мають високу спорідненість до заліза і більш концентровані

обраний у внутрішніх ямах (стрижень);

- Халькофільні елементи: S, P, Cr, Mn, Cu, Zn, Pb, Fe, As, Ag та ін. халькопірит тощо).

Концентруючи елементи у внутрішніх геосферах за щільністю, отримують моделі Гольдшмідта та Зюса з конкретними назвами для них (рис. 3.3).

Інший підхід розділяє хімічні елементи відповідно до їх тенденції до поєднання, розрізняючи петрогенні елементи (Li, Na, K, Rb, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, B, Al, C, Si, Ti, Zr, N, P, V, O, F, Cl) та металогенні елементи (Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Cr, Mo, Te, W, Co, Ni, Pt, U). Марганець та залізо утримуються на межі між двома групами елементів, виконуючи подвійну роль.

2. МІНЕРАЛИ ЗЕМЛЬНОЇ КОРИ

Завдяки комбінаціям, здійсненим відповідно до конкретних законів, хімічні елементи, що існують в корі

утворює присутні в природі мінеральні речовини у твердому, рідкому та газоподібному вигляді. Більшість мінералів у твердому вигляді і мають кристалічну структуру, але є і мінерали з аморфною структурою, і, на думку деяких авторів, деякі органічні речовини, такі як бурштин і вапно.

2.1. Поняття кристалографії Атомна будова матеріалів, експериментально перевірена за допомогою рентгенівських променів, показує, що матерія

вона має розривну структуру, утворену атомами, відокремленими один від одного міжатомними просторами. Залежно від розміщення частинок у просторі можна виділити такі смуги

структурна - аморфний стан, при якому частинки розташовані повністю невпорядковано; - нематичний стан, при якому частинки, як правило, розташовуються в порядку після одного

напрям, утворюючи паралельні прямі; - смектичний стан, при якому частинки мають тенденцію впорядковуватися через два

напрямки, реалізуючи площини, які в свою чергу розташовані безладно; - кристалічний стан, при якому частинки періодично впорядковуються в трьох напрямках у просторі. Нематичні та смектичні зірки зустрічаються лише у випадку з деякими органічними речовинами, а отже і у випадку з

мінерали, вважаючись проміжними шарами між аморфним і кристалічним станами. Речовини з такими смугами також називають мезоморфними, м’якими кристалами або рідкими кристалами.

В принципі, будь-який мінерал може бути як кристалічним, так і аморфним, але аморфний стан фізично та хімічно нестійкий, так що всі мінерали мають природну тенденцію до перетворення в кристалічні, стійкі форми.

Кристалізовані та аморфні мінерали. Мінерали - це однорідні тіла з фізико-хімічної точки зору, мінеральні види є основною одиницею в мінералогічних дослідженнях.

Аморфні мінерали мають структуру, що характеризується невпорядкованим розташуванням атомів, іонів або молекул. Аморфні мінерали ніколи природним чином не обмежуються площинними зборами, вони мають тенденцію утворювати округлі, сфероїдальні, ниркоподібні, як правило, неправильні форми.

Кристалізовані мінерали - це природні геометричні конструкції, в яких атоми, іони або молекули розташовані впорядковано та періодично вздовж X, Y та Z напрямків простору, які називаються кристалографічними напрямками. Завдяки такому розташуванню мінерали мають багатогранні форми, облямовані плоскими зборами, які перетинаються по прямих краях.

Природні геометричні конструкції, в яких атоми періодично впорядковані в трьох (або чотирьох) напрямках у просторі, що характеризуються симетрією, відомі як кристалічні мережі. Вони складаються з райдужних оболонок і сітчастих площин. Напрямок, в якому атоми розташовані в періодичному просторі (рівновіддаленому), називається решіткою ir. Решітку практично отримують шляхом перекладу в напрямку Х, періодично, з однаковою відстанню, геометричного мотиву (в даному випадку атомів, молекул, складних іонів тощо) (рис. 3.4.1). Відстань - це період або параметр ретикулярної райдужки. Якщо провести сітчасту лінію вздовж іншої осі, позначеної Y, з параметром b, виходить сітчаста площина, що характеризується параметрами a і b (рис. 3.4.2). Далі, якщо площину гратки перекладено після a

вісь, позначену Z, з параметром c отримують сітчасту мережу (кристалічну мережу), що характеризується параметрами a, b, c (= міжатомні відстані на трьох осях X, Y, Z). Три напрямки X, Y, Z, після яких сітчасті райдужки мають максимальну щільність, називаються кристалографічними осями (рис. 3.4.3).

Найменший поділ кристалографічної мережі, що характеризується параметрами a, b і c, називається елементарною коміркою або елементарним паралелепіпедом. Елементами, що визначають елементарний паралелепіпед, є міжатомні відстані на трьох кристалографічних осях: a, b, i c та кути, зроблені площинами, що визначаються кристалографічними осями:, i (рис. 3.4.4).

Рис. 3.4. Кристалічні мережі (за Androne, 2008)

(1 - сітчастий ir; 2 - сітчаста площина; 3 кристалічна мережа; 4 елементарні паралелепіпеди)

Елементи симетрії. Зрозуміла геометрична симетрія фігури (кристалізованого мінералу)

властивість фігури збігатися сама з собою, застосовуючи симетричні операції (наприклад, обертання тіла). Елементи симетрії можуть бути простими (включають одну операцію симетрії, наприклад, дзеркальне відображення) та складними, включаючи дві операції симетрії (наприклад, обертання дзеркала). Елементи симетрії характерні лише для кристалізованих мінералів.

а) Простими елементами симетрії є осі симетрії, площини симетрії та центри симетрії.

Вісь симетрії - напрямок кристала, навколо творіння, що обертає кристал на 3600, усі його елементи (збори, ребра, кути) повторюються n разів; n являє собою порядок осі симетрії. У мінеральному царстві можливі лише осі симетрії порядку 1, 2, 3, 4 і 6. Операцією симетрії, що відповідає осям, є обертання, яке виконується з числом градусів, рівним 3600/п, тобто з 3600, 1800, 1200, 900 і 600. Осі можуть бути біполярними (з однаковими елементами, згрупованими на обох кінцях осі) і полярними (з елементами симетрії, згрупованими на одному кінці осі). Позначення осі має тип An, де n являє собою порядок осі (1, 2, 3, 4 або 6). У кристалах осі вищого порядку (3, 4 та 6) унікальні, за винятком кубічної системи, де з'являється кілька осей вищого порядку (3A4 4A3).

Площина симетрії розділяє кристал на дві рівні і симетричні частини, так що одна з них відображається як дзеркальне відображення іншої. Позначення площин має тип Pn, де n являє собою порядок осі симетрії, на якій площина перпендикулярна. Операційна характеристика площин симетрії - дзеркальне відображення.

Центром симетрії є точка всередині кристала, до якої знаходиться будь-який елемент