Многообразие минералов и горных пород

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Многообразие минералов

Больше всего в природе минералов, содержащих в своем составе кремний. Их общее название - силикаты. Известно более 500 минералов, относящихся к силикатам. На их долю приходится до 80% массы земной коры.

Среди силикатов на первом месте по распространенности стоят минералы, называемые полевыми шпатами (50% массы земной коры). В состав этих минералов входят натрий, калий, кальций. Отметим в качестве примера минералы плагиоклазы и ортоклазы.

Около 3% массы земной коры приходится на силикатные минералы слоистого типа - слюды. Отметим среди силикатов также минералы оливины и пироксены. Особо надо сказать о кварцах - на них приходится 12% массы земной коры. В зависимости от примесей получаются разные кварцы - бесцветный горный хрусталь, фиолетовый аметист, черный морион, золотистый цитрин и другие.

Следующими по распространенности в земной коре являются после силикатов минералы, представляющие собой окислы металлов - оксиды. Этих минералов известно около 300; они составляют 17% массы земной коры. Отметим среди них прозрачный и очень твердый минерал корунд. При наличии примеси хрома он превращается в розовый или красный рубин, а при наличии примесей железа и титана - в голубой и синий сапфир. Из оксидов отметим также кассерит, или оловянный камень, и гематит. Первый является оловянной рудой, а второй - железной рудой. К оксидам надо отнести и такой минерал как природный лед.

Около 1,7% массы земной коры приходится на минералы, содержащие группу СО₃ - так называемые карбонаты. Таких минералов около ста. Отметим среди них кальцит, или известковый шпат (СаСО₃), доломит, малахит (Си [СО] * (ОН)). Около 0,1% массы земной коры составляют 190 минералов, относящихся к сульфатам. Эти минералы содержат группу 80₄. Примером может служить минерал гипс (Са80₄ 2Н₂0). Не надо путать его с тем быстро застывающим гипсом, который врачи используют при переломах костей.

Наконец, нельзя не отметить и такой минерал, как галит. Название его тебе, возможно, неизвестно. Однако этим минералом ты пользуешься ежедневно, потому что галит - это поваренная соль.

Горные породы

минерал кремний кварц горная порода

Можно, пожалуй, на этом закончить разговор о самих минералах и заняться горными породами. Это те же самые минералы, но взятые не по-отдельности, а в виде скоплений, которые образуются в естественных условиях в земной коре. Учитывая условия, при каких образуются те или иные скопления минералов, различают три основные типа горных пород: магматические породы, осадочные породы, метаморфические породы.

Магматические горные породы

Начнем с магматических горных пород. Эти породы образуются в результате застывания природных расплавов, называемых магмами. Заметим, что, если, прежде чем застыть, расплавленная магма выходит на поверхность, то ее называют уже не магмой, а лавой.

Расплавленные магмы наблюдаются на глубинах до сотен километров - в пределах литосферы и астеносферы. Их температура составляет примерно от 500°С до 1500°С - в зависимости от состава магм и условий плавления (и прежде всего величины давления). По составу магматические породы подразделяют на:

кислые (в них больше всего оксида кремния; его здесь больше 65%);

средние (содержание оксида кремния - от 65% до 52%);

основные (содержание оксида кремния - от 52% до 45%);

ультраосновные (содержание оксида кремния - менее 45%).

Все магматические породы (от кислых до ультраосновных) подразделяют на две группы - в зависимости от того, где именно произошло их застывание. Если оно произошло под земной поверхностью, т.е. в толще земных недр, то в этом случае магматическую породу называют плутонической, или интрузивной (от латинского «интрузио», что означает «внедрение»). Если же магма излилась на земную поверхность или на дно океана и превратилась в лаву, а уже потом застыла, то в этом случае магматическую породу называют вулканической, шли эффузивной (от латинского «эффузио», что означает «разлитие»).

Здесь ты видишь, в частности, две уже упоминавшиеся ранее породы - граниты, и базальты. Их можно считать самыми главными магматическими породами. Базальты являются основными подстилающими слоями земной коры (как океанической, так и континентальной). Граниты - мощные слои континентальной земной коры, находящиеся над базальтами.

Что нужно знать о гранитах? Отметим прежде всего, что это кислые магматические породы с содержанием оксида кремния до 80%. Это породы интрузивного типа - они образуются не на поверхности, а в земных недрах. Состоят граниты из зерен минералов кварца, полевого шпата, слюды. Кстати, «гранит» происходит от латинского «гранум», что означает «зерно». Внешне граниты выглядят весьма пестро. Различаются они по цвету (серые, красные, желтоватые, зеленоватые) - в зависимости от соотношения входящих в них минералов.

Кислые породы эффузивного типа (вязкие лавы) называют риолитами. Примером может служить обсидиан - вулканическая красно-черная порода. Ее можно назвать вулканическим стеклом, поскольку при очень быстром остывании вязкой лавы кристаллы просто не успевают образоваться.

Базальты относятся к основным породам; содержание оксида кремния в них не превышает 50%. Это породы эффузивного типа, т.е. застывшие лавы. Они содержат такие минералы, как полевой шпат, оливин, пироксен. Выделяющиеся из лавы пузырьки газа делают базальтовые породы, как правило, пористыми.

Если базальтовая магма застывает где-то на глубине, то она образует породу, называемую габбро. Это крупнозернистая порода, в которой много плагиоклаза (разновидности полевого шпата) и пироксена.

Под пластами габбро, на глубинах ниже 10 км от уровня моря залегают обедненные оксидом кремния ультраосновные породы, называемые перидотитами. Главные минералы здесь уже не полевые шпаты, а оливин и пироксен. Перидотит нередко называют базальтом, обогащенным оливином. Под давлением перидотиты могут превращаться в серпентиниты - породы с красивыми вытянутыми в полосы узорами, названные из-за них «змеевиками». Латинское слово «серпентинус» означает «змеиный».

Осадочные горные породы

Теперь займемся осадочными горными породами. Под воздействием различных факторов (смены температур, влияния ветра и воды, работы живых организмов) магматические породы с течением времени разрушаются. Продукты разрушения могут быть очень разными - от крупных глыб до малых песчинок и даже пылинок. Возникают новые скопления минеральных частиц, к которым добавляются частицы органические (остатки растений и животных). Все это осаждается на земную поверхность, в частности на океаническое дно, уплотняется, подвергается химическим превращениям и, в конечном счете, превращается в осадочные породы. Так, разрушение гранита приводит к возникновению щебня, гравия, гальки, песка, глины. Песок образуется из минерала кварца, а глина - из минералов полевого шпата и слюды. Уплотняясь, галька, песок и глина могут образовывать осадочные породы, называемые конгломератами. Песок, сцементированный глиной и известью, образует песчаник. Такие минералы, как кальцит и доломит, образуют вместе с остатками скелетов организмов породу, называемую известняком.

Тебе, наверное, приходилось слышать о коралловых рифах. Это пример осадочных пород типа известняков. Они создаются в течение длительного времени морскими организмами, существующими в виде колоний (сообществ). Значительная часть рифов построена кораллами. Кораллы - мельчайшие морские беспозвоночные с известковым скелетом. Они добывают кальцит из морской воды и сооружают из него красивые ветвистые постройки.

С известняками связано также возникновение карстовых пещер. Они образуются вследствие растворения и вымывания подземными водами известняков, содержащихся в осадочных породах. Возникают причудливые подземные пещеры и лабиринты. Внутри них нарастают великолепные каменные скульптуры из известняка - сталактиты и сталагмиты.

Сталактит нарастает с потолка пещеры. Он похож на большую сосульку. Только это не ледяная сосулька, а известковая. Стекающие по ней с потолка капли воды с растворенным кальцитом частично выпадают в результате испарения в известковый осадок, который обеспечивает постепенный рост сосульки-сталактита. Одновременно, из капель, упавших на дно пещеры, растет сталагмит - такая же известковая «сосулька», но растущая снизу, от пола пещеры. Нередко сталактиты и сталагмиты срастаются друг с другом.

Тебе хорошо знакома разновидность известняка, называемая мелом. Это тонкозернистый мягкий белый известняк, образованный уплотненным скоплением известковых скелетов мельчайших организмов, скоплением мелких раковин.

К осадочным породам относятся также минералы, кристаллизующиеся при выпадении солей из растворов морских вод. Примерами могут служить уже упоминавшиеся ранее гипс и галит. Надо иметь в виду, что они могут не только выпадать из растворов, но и, наоборот, растворяться в воде. При этом могут возникать гипсовые и соляные карстовые пещеры. Они подобны известняковым карстовым пещерам, о которых мы уже говорили.

Метаморфические горные породы

Нам остается рассмотреть метаморфические горные породы. Греческое слово «метаморфозис» означает «превращение». Значит, метаморфические породы - это «породы превращений». Иначе говоря, это породы, образующиеся в земной коре в результате превращений, которым подвергаются магматические и осадочные породы под действием большого давления и высоких температур. Добавим сюда также возможность химических превращений.

Пласт гранита толщиной в 1 км оказывает на нижележащие слои давление 250 атм. При толщине пласта в 10 км давление возрастает до 2500 атм. Пласт базальта на глубине 10 км под дном океана испытывает давление около 3000 атм. Плюс еще 100 атм. на каждый километр толщи воды. Температура в нижних слоях земной коры и литосферы достигает 500-700^оС. Благодаря давлению и температуре магматические и осадочные породы с течением времени не просто уплотняются, но и по-новому кристаллизуются - возникает метаморфическая порода.

Наиболее распространены четыре типа метаморфических пород: кварциты, гнейсы, сланцы, мраморы. Кварциты, гнейсы и сланцы содержат в основном тот же набор минералов, что и большинство магматических и осадочных пород. Имеются в виду кварц, полевой шпат, слюда, пироксен. Если в данном наборе преобладает кварц, то формируются кварциты. Если преобладает полевой шпат, формируются гнейсы. Если же преобладают пироксен и слюда, формируются сланцы, которые часто обнаруживают хорошо выраженную слоистую структуру.

Вообще говоря, метаморфозы (превращения) с горными породами происходят отнюдь не только при формировании метаморфических пород. Обрати внимание, какая получается интересная цепочка, которая тянется от кварца, полевого шпата и слюды. Смена температур, вода и ветер разрушают эти минералы, вследствие чего образуются песок и глина. Песок под давлением цементируется с глиной и известью, и в результате образуется песчаник. А песчаник под действием высоких температур превращается в кристаллы кварцита.

Заметь, что одни метаморфические породы могут превращаться в другие метаморфические породы. Так, сланцы под действием особенно высоких давлений, проявляющихся в слоях ниже астеносферы, превращаются в очень плотные глубинные породы - эклогиты. В них много пироксена и кварца. При особенно сильном нагревании (до 1000-1500°С) кристаллический сланец начинает частично плавиться и превращается в мигматит.

Наверное, самые впечатляющие геологические метаморфозы связаны с мрамором. Как ты уже знаешь, из минералов кальцита и доломита, а также из остатков живых организмов формируются осадочные породы, называемые известняками. Если известняки оказываются в условиях высоких температур и давлений, то с течением времени происходит их перекристаллизация, и возникает удивительная метаморфическая порода - мрамор. «Мраморос» по-гречески означает «блестящий камень». Его назвали так по той причине, что он прекрасно полируется и при этом обнаруживает разнообразную и очень красивую расцветку. Самый знаменитый в мире мрамор добывают в Италии в каменоломнях близ города Карара. Именно его использовал для своих скульптур великий Микеланджело Буонарроти (1475-1564). Большие массивы прекрасного мрамора обнаружены также в ряде других местностей. В России, например, славится мрамор по берегам Енисея в верхнем его течении.

Ответы на вопросы

Я знаю, что почва образовалась из горных пород. Но это же не просто песок или глина. Говорят, что почва - особое природное тело, своеобразный живой организм.

Нет, живым организмом почву назвать нельзя. Однако и к неживым (неорганическим) породам она не относится. В определенном смысле это некий комплекс живого и неживого. Ученые называют почву биокосным природным телом. Главный признак этого тела - наличие у него перегноя (его называют также гумусом), благодаря которому почва обладает плодородием. На ней могут жить и развиваться растения. Слой почвы на земной поверхности весьма невелик - не более нескольких метров. А местами, например в тундре, он меньше метра. Но именно благодаря этому тонкому слою почвы на Земле есть жизнь.

Насколько мне известно, почвы бывают разными.

Совершенно верно. Основатель научного почвоведения российский ученый Василий Васильевич Докучаев (1846-1903) разделял почвы на три основных типа: подзолистые, черноземные, каштановые. Подзолистые почвы в верхнем слое сероватые, похожие по цвету и структуре на золу. Они бедны гумусом. Эти почвы образуются под хвойными и под лиственными лесами. Черноземные почвы, напротив, богаты гумусом. Благодаря ему они темные, почти черные (отсюда и название). Эти почвы образуются под богатыми степными травами. Каштановые почвы имеют коричнево-бурый цвет каштана. Они образуются в сухих степях. По содержанию гумуса их можно считать промежуточными между подзолистыми и черноземными.

Получается, что есть всего три типа почв?

В настоящее время ученые считают, что деление почв на подзолы, черноземы и каштановые - это слишком общее и приблизительное деление, не учитывающее специфики многих почв. Например, надо различать просто подзолистые почвы хвойных лесов и дерново-подзолистые почвы лиственных лесов. А есть еще торфянисто-подзолистые песчаные почвы и горно-подзолистые каменистые почвы. Ученые выделяют десятки различных почв. Обрати внимание: тип почвы существенно зависит от характера растительности в данной местности.

А может быть, правильнее сказать, что именно характер растительности зависит от типа почвы в данной местности?

Можно и так сказать. Строго говоря, почвы и растения взаимосвязаны, а потому и взаимозависимы. По типу почвы можно судить о характере растительности. И, наоборот, изучая растительность, можно заранее предсказать тип почвы.

А как все-таки образовались почвы? Что было вначале - почва или растения?

Разумеется, нельзя считать, что сначала образовался какой-то тип почвы, а потом на этой почве выросли соответствующие растения. Тем более нельзя считать, что сначала появились неизвестно откуда растения, а потом из их сгнивших остатков сформировалась почва. Почва на каждой конкретной местности формировалась постепенно, на протяжении длительного времени, и столь же постепенно формировался соответствующий растительный покров. Исходными факторами при формировании почвы (их называют факторами почвообразования) следует считать материнскую породу, климатические условия, рельеф местности. А также живые организмы.

Под живыми организмами подразумеваются растения?

В данном случае я имел в виду не столько растения или тех животных, которые обитают в почве, сколько почвенных бактерий. Но прежде чем говорить о бактериях, я задам вопрос: какая у почвы отличительная особенность, которую нетрудно заметить?

Почва содержит разнообразные комки. Она комковатая.

Верно. Отличительная особенность почвы в том, что она имеет структуру, она действительно состоит из комков. В одних почвах комковатость выражена лучше, в других хуже. У одних почв комки крупные, у других мелкие. У подзолов комочки фактически не просматриваются (тут большое сходство с золой). А вот у черноземов комки крупные, хорошо просматриваются на срезе.

А какую роль играет комковатость почвы?

Исключительно большую. Благодаря этой комковатости в почве есть вода и воздух. Попадая в почву, дождевая вода стекает вниз по трещинам и порам между комками. При этом часть воды проникает внутрь комков по маленьким порам (этих маленьких пор в комках великое множество) и остается там. До следующего дождя растения могут использовать эту воду, потребляя ее через корневую систему. Получается, что каждый комок или комочек почвы - это как бы бачок для воды, который пополняется от дождя к дождю. Из этого бачка растения могут все время «пить» необходимую им воду. А трещины и поры между комками позволяют воздуху проходить сквозь почву.

Но зачем почве воздух?

Прежде всего почве нужен кислород воздуха. Ведь в почве идут процессы разложения попавших в нее растительных и животных остатков. Эти процессы связаны с химическими реакциями окисления. Для них-то и нужен кислород. Напомню тебе химическую реакцию (при взаимодействии глюкозы с кислородом образуются вода и углекислый газ). Она приводилась в моей книге «Микромир и Вселенная».

Эта реакция рассматривалась как пример катаболического процесса - когда происходит расщепление сложных органических веществ на более простые и одновременно высвобождается энергия, которая хранилась в химических связях сложных веществ.

Реакции типа реакции (*) описывают идущие в почве процессы гниения, разложения. Чтобы эти процессы происходили, требуются три фактора: сложные органические соединения (их обеспечивают живые организмы, попадающие в почву), кислород (его обеспечивает атмосферный воздух, проникающий в почву между ее комками), бактерии (они живут в почве). Именно бактерии и инициируют указанные процессы.

А что представляют собой бактерии, которые живут в почве и инициируют процессы гниения?

Возьми в руки прошлогодний лист. Видишь, какой он мягкий, почерневший; местами превратился в темную липкую массу. Это результат работы бактерий, которых в почве невообразимо много. Простым глазом их, конечно, не увидишь; нужен микроскоп. Они очень разнообразны. Одни похожи на палочки, другие - на цепочки. Есть бактерии со жгутиками и без жгутиков.

Везде на Земле произрастает так много разных растений! Все они рано или поздно разлагаются. Сколько же для этой гигантской работы нужно «малышек»-бактерий!

Не беспокойся, их в самом деле очень много. Представь себе слой почвы толщиной всего 20 см и площадью один квадратный метр. Так вот, общая масса всех бактерий в этом слое может достигать килограмма. Нетрудно подсчитать, что это соответствует пяти миллиграммам бактерий в кубическом сантиметре почвы.

Значит, именно эти бактерии-труженики убирают леса и луга от высохшей травы, опавших листьев, умерших деревьев?

Бактерии и грибы. Без них вся Земля давным-давно стала бы гигантской свалкой. Она была бы завалена отмершими растениями и трупами животных. Всюду бы громоздились остатки жизни, а сама жизнь на планете, конечно, прекратилась бы. Но, к счастью, эти великие труженики существуют, и поэтому с каждой весной земная природа оживает вновь. Леса снова зеленеют, все кругом свежеет. Словно кто-то взял да убрал прошлогодний мусор.

Если исходить из реакции (*), то получается, что бактерии и грибы превращают все растительные и животные остатки в воду и углекислый газ. Разве это так?

Конечно, не так. Вода и вправду образуется. Углекислый газ почва в самом деле «выдыхает». Она «выдыхает» за год с одного гектара более 10 т углекислого газа. Однако сложные процессы разложения растительных и животных остатков нельзя сводить к одной лишь реакции, которая была приведена выше. В результате разложения образуются не только вода и углекислый газ, но еще и перегной (гумус), о котором уже упоминалось. Это очень сложное вещество. Оно является источником пищи для растений.

Как же растения питаются перегноем?

Собственно говоря, самим перегноем они не питаются. Их пищей является то, что бактерии готовят из перегноя. Дело в том, что бактерии не только разлагают остатки растений и животных до перегноя (а также углекислого газа и воды), но и готовят из того же перегноя пищу для живых растений.

Что же представляет собой эта пища?

Это растворы различных солей. Именно эти растворы солей поступают из почвенных комков в корни растений. Тем самым растения одновременно и пьют, и питаются. Одним из продуктов разложения органических остатков является аммиак. Бактерии заставляют этот аммиак вступать во взаимодействие с кислородом, в результате чего образуется азотная кислота.

Размещено на Allbest.ru