Литосфера. Геосферы Земли

1.

Литосфера
Опекунов Анатолий Юрьевич
доктор геолого-минералогических наук,. профессор
кафедры геоэкологии и природопользования

2.

Геосферы Земли
Окружающая нас среда в планетарном масштабе
состоит из нескольких геосфер:
- литосферы,
- гидросферы,
- атмосферы,
- педосферы,
- биосферы.
Среди всех геосфер наиболее масштабная по массе и
самая первая по времени образования – литосфера.
2

3.

Оболочки Земли
Основные свойства оболочек Земли
Оболочка
Интервал
глубин, км
Плотность, Доля
г/см3
объема
Земли, %
Земная кора
0-30 (70)
2,7-3,5
1,55
0,8
Верхняя мантия
30 (70)-400
3,32-3,65
16,7
10,4
Переходная зона
400-1000
3,65-4,68
21,3
16,4
Нижняя мантия
1000-2900
4,68-5,69
14,3
41,0
Жидкое ядро
2900-5000
9,40-11,5
15,2
Переходная зона
5000-5100
11,5-12,0
0,18
Твердое ядро
5100-6371
12,0-12,5
0,76
3
от Доля от
массы,
%
31,5
Возраст планеты Земля оценивается в 4,57 млрд лет.
Плотностное расслоение Земли

4.

Определение литосферы
Литосфе́ра (от греч. λίθος «камень» +
σφαίρα «шар») — твёрдая оболочка Земли,
состоящая из земной коры и верхней части
мантии, до астеносферы, где скорости
сейсмических волн понижаются,
свидетельствуя об изменении
пластичности пород.
4

5.

Изменение температуры
с глубиной
Геотермический градиент —
физическая величина, описывающая
прирост температуры горных пород
в °С на определённом участке
земной толщи. Выражается через
изменение температуры,
приходящееся на единицу глубины.
Обычно геотермический градиент
колеблется от 0,5-1 до 20 °С и в
среднем составляет около 3-5°С на
100 метров.
5

6.

Изменение давления с
глубиной
Давление возрастает на 275 атм на 1
км глубины. Расчеты приводят к
следующим цифрам: у «подошвы»
земной коры (на глубине 50 км) —
около 13 тыс. атмосфер, т. е. около 13
тонн на квадратный сантиметр; на
границе ядра — около 1,4 миллиона
атмосфер; в центре Земли — около
3 млн. атмосфер
6

7.

Ядро и мантия Земли:
O2 (35%) – Fe (25%) – Si (18%) – Mg (14%) – S (2%), Ni (1,4%), Ca
(1,4%), Al (1,3%) – Na (0,7%) – Cr (0,25%) – Mn (0,20%).
Земная кора:
O2 (47%) – Si (29,5%) –Al (8,05%) – Fe (4,65%) – Ca (2,96%) – Na
(2,50%) – K (2,50%) –Mg (1,87%) –Ti (0,45%).
7

8.

Геохимическая функция
литосферы
Основополагающие геохимические законы.
Среди многообразия геохимических законов
остановимся на двух из них.
Закон Кларка-Вернадского - всеобщий закон
рассеяния химических элементов.
Применительно к биосфере его можно
сформулировать следующим образом: в любом
природном объекте Земли содержатся все
химические элементы, находящиеся в литосфере.
8
В.И. Вернадский

9.

Закон КларкаВернадского
Повсеместную распространенность химических
элементов подтверждают результаты анализа
химического состава любых горных пород, минералов и
т.д., устанавливающие наличие в них содержания самых
различных элементов, чуждых их основному составу.
Даже в оптически прозрачном монокристалле кварца
современные методы анализа обнаруживают многие
элементы, не предусмотренных канонической формулой
минерала SiO2. Закон Кларка-Вернадского справедлив в
условиях макромира, на молекулярном уровне его
действие прекращается.
9

10.

Кларки
Отражением первого закона – закона всеобщей
распространенности элементов – служат величины
кларков химических элементов, под которыми
понимаются средние содержания химических
элементов в доступных для исследования геосферах. Понятие «кларк» было введено А. Е.
Ферсманом в 1923 г. Участие элементов в строении
литосферы существенно различно. Кларки
большинства химических элементов оцениваются
тысячными или миллионными долями процента.
Только содержание 8 элементов более 1% .
10
А.Е. Ферсман. Геохимия овладела новым
числом – новой константой мира.

11.

Прикладное значение
кларков
Кларк имеет широкое применение в прикладной
геохимии.
1. Масштабы накопления металлов в рудных
месторождениях определяют степень их
распространения в земной коре и наоборот.
2. Размеры и максимальные запасы наиболее крупного
месторождения металлов лимитируются их кларком.
3. Не только степень концентрации металлов в рудных
месторождениях, но и их рассеяние зависят от кларка.
Количество металлов, ежегодно выпадающих с
вулканической пылью и атмосферными осадками, а
также выносимых реками, пропорционально их кларкам.
11

12.

Кларк и месторождения
Показатели
12
Металлы
Fe
Pb
Au
Кларк, %
4,65
12 10-4
5,5 10-7
Общие запасы
в
месторождениях,
т
Масштаб
месторождений,
т
4,3 1012
1,02 1010
3,15 106
n 108
n 105
n 100n 101
Связь кларковых значений
и характеристик
месторождений железа,
свинца и золота

13.

Кларк химических элементов в главных типах горных пород,
почвах и земной коре (г/т) (фрагмент)
Кристал
Глины и -личеКарбоУльтраКларк
ЭлеОснов- СредГлинис- ские Песчани натОсновКислые
Почвы земной
мент
ные
ние
тые
cланцы
ки
ные
ные
коры
сланцы и парапороды
гнейсы
Mg
273 000 40 800
19 600
6630
15 400
19 600
7300
46 000
5 000
22 600
Al
5000
81 200
91 200
78 100
86 600
90 100
29 000
9600
71 000
80 700
Ni
1230
80
61
8,0
70
70
35
20
50
56
Cu
80
90
60
25
55
43
25
7,0
30
53
Zn
50
84
73
58
95
136
40
20
90
68
Различия кларка более n 100 в ряду ультраосновные – карбонатные породы:
C > Ir > Th > Cr > U > Cs > K > Rb

14.

Закон геохимической зональности
Второй закон – Закон геохимической зональности как
следствие непрерывной дифференциации вещества
Земли – определяет разнообразие горных пород и их
химического состава.
Основными механизмами геохимической
дифференциации в геологически значимых масштабах
являются процессы переноса, осуществляемые через
перераспределение фаз в гетерогенных системах
жидкость-твердые фазы, жидкость-газ, газ-твердые
фазы.
Образование изверженных и магматических пород
разного состава объясняется, прежде всего, процессами
кристаллизационной дифференциации вещества.
14

15.

Следствия закона
Одним из следствий второго закона является
образование зон концентрации каких-либо элементов и
месторождений полезных ископаемых. В этих областях
формируются естественные геохимические аномалии
элементов, которые отражаются во всех компонентах
окружающей среды. Концентрации этих элементов
значительно превосходят их кларковые значения.
Другое следствие – создание геохимических запасов
химических элементов в биосфере.
15

16.

Состояния вещества
Возникает понятие рассеянного и концентрированного
состояния вещества.
Рассеянным называется существование элемента в
природе, при котором его содержание остается
кларковым и в современных условиях признается
недостаточным для его промышленного извлечения.
Концентрированное состояние отвечает
повышенным содержаниям элементов, близким к
требованиям промышленности для соответствующих
полезных ископаемых.
16

17.

Кларк концентрации
Для
количественной
характеристики
состояний
концентрации и рассеяния А. Е.
Ферсман ввел в
геохимию понятие кларк концентрации (Кк) отношение содержания элемента в конкретном объекте к
его кларку. При величине Кк > 1 можно говорить о
концентрации (накоплении) элемента, при Кк < 1 – о его
рассеянии.
В
геоэкологических
исследованиях
учитывается ряд следствий из рассмотренных законов, в
том числе: 1) кларк химических элементов служит мерой
степени техногенного загрязнения; 2) геохимические
аномалии могут быть обусловлены не только
техногенным загрязнением, но и природными факторами
17

18.

Геохимические запасы металлов
Металлы
В рассеянном
состоянии, т
В
Доля запасов в
месторождениях, месторождениях, %
т
4,3 1012
1,56 10-3
Доля прироста к фону в
поверхностном слое почв
(грунтов), %
1,0
Железо
2,77 1017
Медь
9,72 1013
1,82 1010
1,87 10-2
83
Свинец
1,26 1014
1,02 1010
8,39 10-3
32
Цинк
3,54 1014
1,16 1010
3,28 10-3
18
Никель
1,26 1014
6,0 108
4,76 10-4
1,0
Кобальт
7,09 1013
5,25 107
6,65 10-5
0,2
Олово
1,7 1013
5,0 108
2,94 10-3
22
Вольфрам
9,52 1012
1,0 108
1,05 10-3
7
Молибден
9,52 1012
1,0 108
1,05 10-3
8
Ртуть
3,8 1011
3,7 107
9,31 10-3
90
18 Золото
2,92 1010
3,15 106
1,08 10-2
100
Геохимические
запасы
важнейших
металлов в
верхней части
континентальной
коры
(Квятковский,
1990)

19.

Тектоника плит
Земная кора состоит из
относительно целостных
блоков – литосферных
плит, которые находятся в
постоянном движении
относительно друг друга.
Скорость движения
литосферных плит
составляет от 1 до 6 см/год.
19

20.

Строение литосферы
Литосфера состоит из трех групп горных пород в
зависимости от их происхождения: магматических,
осадочных и метаморфических. Они образуются в ходе
глобального геологического круговорота вещества и
энергии.
20

21.

Магматические породы
Магматические породы образуются в
результате кристаллизации магмы, которая
при расплавлении твердого материала в
глубинных частях литосферы выдавливается
наверх. Если она выходит на поверхность
Земли, тогда формируются эффузивные или
вулканические
породы
(базальт).
Если
затвердевает на некоторых глубинах, не дойдя
до поверхности Земли, тогда образуются
интрузивные породы (гранит).
21
Гранит
Базальт

22.

Осадочные породы
Осадочные горные породы – это горные породы,
характерные для поверхностной части литосферы и
образующиеся в результате переотложения
продуктов выветривания различных горных пород,
химического и механического осаждения осадка из
воды, жизнедеятельности организмов или всех
процессов одновременно (например, известняк).
22
Известняк

23.

Метаморфические породы
Метаморфические горные породы
формируются в литосфере при высоких
температурах и давлении (например, мрамор),
а также под влиянием агрессивных химических
растворов, которые воздействуют на
осадочные или магматические породы,
изменяя их минеральный и химический состав.
23
Мраморный карьер

24.

Стадии литогенеза
Общая схема стадий
литогенеза
24

25.

Гипергенез
Гипергенез – физические, физико-химические,
химические и биохимические процессы в верхней
части литосферы и на поверхности Земли, где
происходит выветривание горных пород и минералов
под воздействием атмосферы, гидросферы и живых
организмов.
Выветривание: физическое, химическое и биогенное.
25

26.

Седиментогенез
Седиментогенез – образование донных осадков
в водных объектах. Материал выветривания
переносится в конечные бассейны стока и в
процессе дифференциации осадочного
материала формируются современные донные
осадки.
26

27.

Диагенез
Диагенез – это механические, химические и физикохимические преобразования донных осадков, которые
приводят к формированию осадочной горной породы.
Мощность зоны диагенеза составляет первые десятки и
сотни метров вглубь, его длительность колеблется от
десятков до сотен тысяч лет, а в некоторых случаях
может достигать 1 млн лет.
27

28.

Катагенез
Катагенез – дальнейшая эволюция и преобразование
осадочной горной породы в процессе повышения
температуры и давления. Катагенез - стадия
нефтеобразования. Мощность зоны катагенеза
колеблется от единиц до нескольких тысяч метров.
Начинается катагенетическое преобразование пород с
глубины в сотни метров и продолжается до 4–6 км.
Предельными для зоны катагенеза являются
температура 150–200 С, давление – 1200–2000 атм.
28

29.

Метагенез
Метагенез начинается после катагенеза при
дальнейшем повышении давления и температуры и
приводит к глубокой переработки осадочных горных
пород. Эта стадия предшествует метаморфизму.
Метагенез начинается на глубине 7000-8000 м, давлении
2000-3000 атм и температуре 200-300 С.
29

30.

Метаморфизм
Метаморфизм – процесс твердофазного минерального
и структурного изменения горных пород под
воздействием температуры и давления в присутствии
флюида какого-либо растворителя или газа. На этой
стадии образуются метаморфические породы. Глубина
метаморфизма достигает 15–20 км, а возможно и 25 км.
Температура составляет от 300 до 1500 С, давление до
30000 атм.
30

31.

Круговорот вещества
Расплавление породы с выдавливанием магмы к
поверхности, может произойти на любой из поздних
стадий литогенеза. Тектонические движения в
литосфере, выветривание пород на поверхности
планеты приводят к постепенному поднятию горных
масс к поверхности. А химические элементы, входящие
в их состав, снова включаются в круговорот, проходя
последовательно стадии литогенеза.
31

32.

Химический состав литосферы
O – 47%
Si – 29,5%
Al – 8,05%
Fe – 4,65%
Ca – 2,96%
Na – 2,50%
K – 2,50%
Mg – 1,87%
Среднее содержание
породообразующих элементов
в литосфере
32
Среди 88 химических
элементов восемь относятся
к макроэлементам.
Содержание каждого из них
в литосфере превышает 1%,
а суммарное содержание
достигает 99,5%.
В основном они находятся в
виде оксидов и поэтому
называются
породообразующими
окислами.

33.

Типы горных пород
По химическому составу магматические горные
породы делятся в зависимости от содержания SiO2.
Существуют кислые (SiO2 > 65%), средние (SiO2 5265%), основные (SiO2 40-52%) ультраосновные (SiO2
< 40%) породы. Кроме того, выделяются щелочные
породы, насыщенные окислами щелочных и
щелочноземельных металлов.
Кимберлит – ультраосновная
порода
33
Гранит – кислая порода

34.

Литосфера и окружающая среда
В ходе выветривания горных пород и в результате
гидротермальных процессов, особенно активных в
центральных частях океанов, в биосферу поступает
большое количество химических элементов и веществ.
Это обусловливает многообразие ландшафтногеохимических обстановок, которые представляют среду
обитания живых организмов и человека. Формируется
благоприятный геохимический фон почв и природных
вод. Возникают условия для произрастания растений.
Живые организмы получают все необходимые для
жизни элементы.
34

35.

Формы химических элементов в
литосфере
Основные формы химических элементов в
земной коре (по проф. Ярошевскому А.А.):
- магматические расплавы;
- кристаллические фазы (минералы), в том
числе структурные (изоморфные) примеси в
минералах;
- малоплотные (флюидные) растворы;
- неструктурные (газово-жидкие) примеси в
минералах.
35
А.А. Ярошевский

36.

Магматические расплавы
Магматические расплавы
36
Магматические расплавы – это сложные, изменчивые,
насыщенные газами системы, недоступные для прямого
изучения.
По современным представлениям магма состоит из:
- октаэдрических групп с преобладанием [MgO6] и [CaO6];
- тетраэдрических с преобладанием [SiO4] и [AlO4];
- свободных катионов металлов;
- атомов растворенных металлов;
- соединений типа FeS и Fe3O4, являющихся в какой-то
мере электронными жидкостями;
- отдельных молекул, прежде всего газов.
Основным типом миграции магмы в земной коре является
конвекция.

37.

Минеральная форма
Наиболее
распространенной
природной формой
нахождения
элементов (по массе)
является
минеральная
(кристаллическая).
Фиолетовый аметист
37
Минерал ортоклаз

38.

Число минералов
Минеральная форма нахождения химических элементов в
природе основная; типы химических соединений и число
минералов химических элементов ограничено
термодинамическими законами фазовых равновесий и
явлениями изоморфизма. В настоящее время известно
5336 минералов различных комбинаций и нахождения в
самородном состоянии.
38

39.

Изоморфизм
Минеральная форма относится как к главным элементам
минерала, занимающим место в узлах кристаллической
решетки, так и к изоморфным примесям.
Изоморфизм – способность химических элементов
замещать друг друга в минералах. Это явление широко
распространено в литосфере.
39
Минерал сфалерит или
цинковая обманка
(ZnS), в котором в
качестве изоморфной
примести часто
присутствует кадмий,
замещающий цинк.

40.

Флюидные растворы
Флюидные растворы. Химические вещества в литосфере
могут мигрировать в газообразном виде и с водными
растворами. Они выделяются из магмы при ее
кристаллизации. Процесс основан на способности воды и
водных растворов растворять при высоких температуре и
давлении химические вещества, практически
нерастворимые в обычных условиях. В процессе миграции
гидротермальных вод к поверхности, при понижении
температуры и давления из гидротерм происходит
кристаллизация разнообразных минеральных форм.
40

41.

Современная гидротермальная
деятельность
«Черные курильщики» на
дне океана
41
Современным проявлением
гидротермальных
процессов, приводящих к
формированию
глубоководных
полиметаллических
сульфидных руд, являются
«черные курильщики» в
срединно-океанических
хребтах.

42.

Газово-жидкие включения
Включения игольчатых кристаллов
рутила и двухфазные газовожидкие включения в кварце
42
Газово-жидкие включения - существование
элемента в виде газово-жидких примесей в
минералах чуждого ему состава при
заполнении дефектов в кристаллических
решетках.
В жидких включения установлены очень
высокие содержания многих металлов,
Газовая фаза представлена широким
спектром газообразных веществ.

43.

Эндогенные и
экзогенные
геологические
процессы

44.

Землетрясения
Подземные толчки и колебания земной поверхности, сдвиг тектонических плит

45.

45

46.

Извержение вулканов

47.

Цунами

48.

Причины техногенных катастроф, обусловленных
природными явлениями

49.

Общая генетическая классификация экзогенных
геологических опасностей
Группы опасностей
1.
Обусловленные
климатическими и
биологическими
факторами
2.
Обусловленные
энергией рельефа
(силой тяжести)
Классы опасностей
Типы опасностей
Выветривание
Движение горных пород без
потери контакта со склоном или
с незначительной потерей его
Оползни
Лавины
Ледники
Движение горных пород с
потерей контакта со склоном
Обвалы
Осыпи

50.

Оползни – смещение горных пород вниз по склону без потери
контакта между смещающимися и неподвижными породами

51.

Лавины – быстрое, внезапно возникающее движение снега
и/или льда вниз по крутым склонам гор, представляющее
угрозу жизни и здоровью людей, наносящее ущерб
объектам экономики и окружающей природной среде

52.

Обвалы –
внезапное
обрушение горных
пород с потерей
контакта со
склоном,
сопровождающеес
я дроблением и
перемешиванием
горных пород и
хаотичным
накоплением их у
подошвы склона

53.

Осыпи – это непрерывный снос продуктов выветривания горных пород на крутых склонах в
виде скатывания отдельных мелких обломков с образованием у подножья склонов конусов
из скопившегося материала

54.

3.
4.
Океанов, морей, озер
Абразия
Термоабразия
Водохранилищ
Переработка берегов
Заиление
Водотоков
Эрозия
Термоэрозия
Аккумуляция наносов
Сели
Растворение и выщелачивание
Карст
Механический вынос
Суффозия
Понижение уровня подземных вод
Оседание поверхности
Обусловленные
поверхностными
водами
Обусловленные
подземными водами
Подъем уровня грунтовых вод
Ослабление и разрушение
структурных связей грунтов
Увеличение объема глинистых пород
Подтопление
Засоление
Заболачивание
Просадка лессовидных
пород
Плывуны
Набухание

55.

Абразия – разрушение берегов преимущественно под
воздействием волн и в связи с изменением уровня моря

56.

Эрозия – разрушение
горных пород водным
потоком
Эрозия плоскостная - разрушение пород рассредоточенными водными потоками, не приводящее к образованию характерных эрозионных форм (оврагов, промоин).
Эрозия овражная - разрушение пород сосредоточенными водными потоками, приводящее к
образованию характерных эрозионных форм (оврагов, промоин).

57.

Термоабразия – процесс разрушения берегов (морей, озер, рек),
сложенных многолетнемерзлыми грунтами, под термомеханическим
воздействием (протаивания, разрушения, траспортировки) на них
водных масс.
Термоэрозия - процесс разрушения многолетнемерзлых грунтов
водными потоками за счет оттаивания и выноса грунтов, оползания и
обрушения растущих эрозионных форм (промоин, борозд, оврагов).

58.

Сели – стремительный поток большой разрушительной силы,
состоящий из смеси воды и рыхло обломочных пород, внезапно
возникающий в бассейнах небольших горных рек в результате
интенсивных дождей или бурного таяния снега, а также
прорыва завалов и морен.

59.

Карст – комплексный геологический процесс, обусловленный
растворением подземными и/или поверхностными водами горных пород,
проявляющийся в их ослаблении, разрушении, образовании пустот и
пещер, изменении напряженного состояния пород, динамики,
химического состава и режима подземных и поверхностных вод, в
развитии суффозии (механической и химической), эрозий, оседаний,
обрушений и провалов грунтов и земной поверхности.

60.

Засоление грунтов – возникает при подъеме подземных вод
до уровня, при котором начинается их испарение

61.

5.
Обусловленные
ветром
Дефляция
Корразия
Аккумуляция
6.
Обусловленные
промерзанием и
протаиванием
горных
пород
Пучение
Растрескивание
Наледи
Промерзание
Колебания температуры с
переходом через 0
Курумы
Оттаивание
Термокарст
Солифлюкция

62.

Дефляция почв – развеивание и выдувание рыхлого материала
(плодородных горизонтов почв)

63.

Корразия – процесс
обтачивания скальных
и полускальных пород
частицами песка,
переносимого ветром

64.

Пучение – процесс образования специфических форм
рельефа – бугры пучения, которые могут быть сезонные
(гидролаколлиты) и многолетние (булгунняхи)
Процесс, вызванный промерзанием грунта, миграцией влаги,
образованием ледяных прослоев, деформацией скелета грунта,
приводящих к увеличению объема грунта и поднятию его поверхности.

65.

Растрескивание – морозное растрескивание песчано-глинистых
пород с поверхности земли трещинами с образованием полигонов

66.

Термокарст – это образование провалов в связи с вытаиванием льда,
который находится в грунтовой толще

67.

Солифлюкция – смещение (течение, оползание,
соскальзывание, сплывы, оплывины) оттаивающего
переувлажненного тонкодисперсного грунта на склонах в
теплое время суток года, обусловленное сезонным
промерзанием и оттаиванием.

68.

Заключение
Изучение основных свойств, химического состава и
процессов, происходящих в литосфере, позволяет сделать
следующие выводы о ее влиянии на геоэкологическую
обстановку на поверхности Земли в биосфере. Эта
взаимосвязь проявляется через экологические функции
литосферы. Наиболее важными из них видятся следующие.
1. Литосфера – основной поставщик химических элементов
в окружающую среду. Выветривание горных пород и другие
источники поступления элементов в зону гипергенеза
создают геохимический каркас геосфер Земли, что является
предпосылкой формирования экологических функций
гидросферы, атмосферы, педосферы, являющихся
структурными элементами биосферы.
68

69.

2. Действие основных геохимических законов определяет, с
одной стороны, рассеяние элементов, создающее
геохимический фон геосфер, с другой стороны, их
концентрацию, приводящую к образованию естественных
геохимических аномалий.
3. Кларковые (фоновые) содержания химических элементов
в геосферах Земли являются наиболее благоприятной
средой развития живых организмов и растений.
4. Положительные и отрицательные естественные
геохимические аномалии, обусловленные геологическими
(литосферными) причинами и развивающиеся в масштабе
геологического времени, способствуют увеличению
биологического разнообразия нашей планеты.
5. Основные геохимические законы, описывающие
состояние литосферы, являются научной базой развития
геоэкологических исследований.
69