Skorupa ziemska to zróżnicowana pod względem składu najbardziej zewnętrzna warstwa skalna Ziemi. Z czego zbudowana jest skorupa ziemska? Odpowiedź na to pytanie zależy od tego, czy chcemy wiedzieć, z jakich pierwiastków chemicznych, minerałów czy rodzajów skał jest zbudowana. Może to być zaskakujące, ale do opisania około 99% skorupy ziemskiej wystarczy kilkanaście pierwiastków chemicznych, minerałów lub typów skał. Ten artykuł jest o tych naprawdę powszechnych i może trochę mniej powszechnych, ale wartych uwagi budulcach ziemi pod naszymi stopami.
Wspólne skały w skorupie ziemskiej. Skały iglaste w pierwszym rzędzie: granit, gabro, bazalt. Skały metamorficzne w drugim rzędzie: gnejs, łupek, amfibolit. Skały osadowe w trzecim rzędzie: piaskowiec, łupek, wapień.
Te liczby różnią się między różnymi badaniami, ponieważ naprawdę nie mamy sposobu, aby wiedzieć na pewno.
Jest to oszacowanie składu chemicznego skorupy na podstawie naszego zrozumienia względnych proporcji różnych typów skał w skorupie i ich średniego składu.
Nasze rozumienie jest ograniczone na pewno, ponieważ średnia grubość skorupy kontynentalnej wynosi ponad 40 km, ale nie mamy sposobu, by pobrać z niej bezpośrednie próbki. Najgłębsze kopalnie sięgają tylko 4 km, a najgłębszy odwiert ma 12 km głębokości.
| Pierwiastek | Masa procentowa | Wspólne minerały | Wspólne skały |
|---|---|---|---|
| Tlen | 46.6 | Krzemiany, tlenki itp. Tlen jest bardzo rozpowszechniony w skorupie ziemskiej i bardzo reaktywny. Objętościowo nieznaczna część wszystkich minerałów nie zawiera tlenu. | Prawie każdy pospolity typ skały zawiera tlen. Jedynie ciała rud siarczkowych i złoża ewaporytowe są prawie pozbawione tlenu, ale ich udział objętościowy jest stosunkowo niewielki. |
| Krzem | 27.7 | Krzem ma swoją własną dużą grupę minerałów zwanych krzemianami. Ponad 90% skorupy ziemskiej składa się z minerałów krzemianowych. Krzem i tlen to dwa najczęściej występujące w skorupie ziemskiej pierwiastki chemiczne, które również bardzo lubią swoje towarzystwo. Czysty tlenek krzemu znany jest jako minerał kwarc, który stanowi 12% skorupy ziemskiej. Nie ma ani jednego wspólnego minerału niekrzemianowego, który zawierałby krzem – krzem zawsze łączy się z tlenem. | Minerały krzemianowe są budulcem większości popularnych typów skał (bazalt, granit, łupek, gnejs, piaskowiec, itd.). Skały węglanowe (wapienie, dolomity) i ewapority (gipsy, sól kamienna) stanowią godne uwagi wyjątki. Nie zawierają one krzemu, jeśli są czyste. Nieprzezroczyste minerały rudne (tlenki i siarczki) są częstymi, mniejszymi składnikami większości typów skał. Są one również wolne od krzemu. |
| Glin | 8.1 | Bardzo rozpowszechniony w minerałach krzemianowych (skalenie, minerały ilaste, mika). Wodorotlenki glinu (boehmit, diaspora, gibbsite) są ważne gospodarczo jako minerały rud glinu. | Skalenie są bardzo powszechnymi minerałami w skorupie ziemskiej, ponad połowa (51%) skorupy ziemskiej składa się z tej grupy minerałów. Mika i minerały ilaste są również powszechne, oba obejmują około 5% skorupy. Stąd też aluminium jest również bardzo rozpowszechnione. Zazwyczaj nie jest ono jednak bardzo skoncentrowane w minerałach krzemianowych. Aluminium było wydobywane ze skał krzemianowych bardzo rzadko. Boksyt, który jest bogatym w aluminium laterytem powstałym w wilgotnych, gorących obszarach, zawiera wodorotlenki glinu i jest wydobywany głównie dla aluminium. Aluminium w boksytach jest pozostałością po chemicznym wietrzeniu skał krzemianowych. |
| Żelazo | 5.0 | Żelazo jest szeroko rozpowszechnionym pierwiastkiem w minerałach. Godne uwagi minerały krzemianowe bogate w żelazo to pirokseny, amfibole, oliwiny, czarna mika biotyt, granat, itp. Żelazo jest również ważnym elementem w skałach osadowych. Jest ono podobnie jak aluminium trudno rozpuszczalne i odprowadzane z wodą. Żelazo występuje powszechnie w glebie laterytowej i tworzy rdzawe zabarwienie minerału tlenku żelaza – hematytu. Hematyt jest odpowiedzialny za czerwone zabarwienie wielu minerałów i rodzajów skał. Tlenek żelaza magnetyt jest powszechny jako minerał pomocniczy w skałach metamorficznych i iglastych. Piryt siarczku żelaza jest najbardziej rozpowszechnionym minerałem siarczkowym. Żelazo występuje również w węglanach (syderyt, ankeryt), minerałach ilastych (glaukonit, chloryt). Żelazo jest silnym pierwiastkiem chromoforowym, nadaje ciemne zabarwienie swoim minerałom żywicielskim. To dlatego większość piroksenów i amfiboli jest czarna. | Żelazo jest właściwie pojedynczym najobficiej występującym pierwiastkiem chemicznym w całej Ziemi, ale większość z niego znajduje się w jądrze. Bazalt, gabro, amfibolit, greenschist, itp. to najbardziej godne uwagi skały skorupy ziemskiej, które zawierają dużo żelaza. Istnieje duża liczba typów skał, które zawierają znaczne ilości żelaza, ale większość wydobywanego żelaza pochodzi ze zmetamorfizowanych skał osadowych znanych jako BIF (banded iron formation). |
| Wapń | 3.6 | Wapń jest również bardzo rozpowszechniony. Jest on zawsze obecny w skaleniach plagioklazowych (39% skorupy), ale ilość wapnia jest tam różna. Najważniejsze pirokseny i amfibole (augit i hornblenda) zawierają wapń. Wapń występuje w wielu innych minerałach krzemianowych, takich jak granat, epidot, wollastonit, tytanit itp. Wapń jest składnikiem kalcytu, który jest bardzo ważnym minerałem głównie w środowiskach sedymentacyjnych. Fosforan wapnia apatyt jest również powszechnym minerałem. Gips jest głównym minerałem ewaporatowym, który jest chemicznie uwodnionym siarczanem wapnia. Fluorek wapnia jest znany jako minerał fluoryt. | Występuje z równym powodzeniem w skałach iglastych, osadowych i metamorficznych. Szczególnie znanym typem skał wapiennych są wapienie. Jego zmetamorfizowanym odpowiednikiem jest marmur. Marmur, podobnie jak wapień, składa się z kalcytu. Kalcyt jest niezwykłym minerałem. Istnieją nawet skały iglaste składające się z czystego kalcytu. Znana jest ona jako karbonatyt, ale jest bardzo rzadka w porównaniu z wapieniem i marmurem. Wapń jest częścią minerałów takich jak plagioklazy, pirokseny i amfibole w skałach iglastych. Główną skałą metamorficzną zawierającą wapń jest amfibolit (zmetamorfizowany bazalt, w którym wapń znajduje się w hornblendzie i plagioklazie). Fosforyt jest kolejną ważną skałą osadową zawierającą wapń (wapń znajduje się w minerale fosforanowym apatyt). Wapń występuje również w ewaporytach jako minerał gips. |
| Sód | 2.8 | Sód jest szeroko rozpowszechniony w minerałach krzemianowych. Jest ważnym składnikiem zarówno skaleni alkalicznych jak i plagioklazów. Pirokseny zawierające sód są stosunkowo rzadkie. Sód jest nieco bardziej rozpowszechniony w amfibolach, ale nie tak bardzo jak wapń. Dobrze znanym sodonośnym minerałem krzemianowym jest turmalin. Sód jest ważnym składnikiem skaleniowców, ale zarówno skaleniowce jak i minerały z grupy turmalinów są stosunkowo rzadkie. Głównym minerałem sodonośnym w środowiskach sedymentacyjnych jest halit (NaCl). | Skały gnejsowe i metamorficzne zawierające skalenie. Duża część sodu pochodzącego ze zwietrzałych skał iglastych i metamorficznych rozpuszcza się w wodzie morskiej. Sól kamienna jest najważniejszą sodonośną skałą osadową. |
| Potas | 2.6 | Potas i sód są podobnymi pierwiastkami chemicznymi zarówno pod względem chemicznym, jak i geologicznym. Potas jest ważnym składnikiem skaleni alkalicznych. Większość skaleni alkalicznych zawiera znacznie więcej potasu niż sodu i dlatego są one często określane jako skalenie K. Ważnymi potasonośnymi minerałami krzemianowymi są mice (5% skorupy). Najważniejszymi mikami są biotyt i muskowit, które zawierają potas. Najważniejszym potasonośnym minerałem osadowym jest sylwin (KCl). | Skały alkaliczne i mice są powszechnie występującymi skałami w krzemianowych skałach iglastych i metamorficznych (granit, gnejs, łupek itp.). Duża część potasu pochodzącego ze zwietrzałych skał iglastych i metamorficznych rozpuszcza się w wodzie morskiej. Sylwit nie jest tak powszechnym ewaporytem jak halit (sól kamienna), ponieważ do wytrącenia sylwitu potrzeba znacznie większej szybkości parowania. |
| Magnez | 2.1 | Magnez jest bardzo rozpowszechniony w płaszczu pod skorupą ziemską. Oliwin i piroksen są tam najważniejszymi minerałami zawierającymi Mg, a minerały te są również składnikami niektórych skał skorupy ziemskiej, zwłaszcza ciemno zabarwionych skał iglastych. Amfibole również zawierają magnez, ale w mniejszej ilości niż pirokseny. Jon magnezu jest zbliżony wielkością do żelaza i dlatego może łatwo zastąpić żelazo w siatce minerałów. Tak jest w oliwinie, piroksenach, amfibolach, a nawet w mikach (flogopit jest bogatą w Mg odmianą biotytu). Ważnymi minerałami bogatymi w Mg w skałach metamorficznych są talk i serpentynit. W środowisku osadowym magnez występuje głównie w węglanach, dolomicie i magnezycie. Dużo magnezu rozpuszcza się w wodzie morskiej. Magnez jest ekstrahowany z wody morskiej. | Ważne skały iglaste zawierające Mg to skały ultramafickie (perydotyt, piroksenit). Skały zawierające dużo piroksenów, takie jak bazalt i gabro, również zawierają Mg, ale w mniejszym stopniu. Skałami metamorficznymi bogatymi w Mg są serpentynit i łupek talkowy. Najważniejszą skałą osadową zawierającą Mg jest skała dolomitowa, która jest dawnym wapieniem przekształconym w dolomit przez bogatą w Mg wodę meteoryczną przesączającą się przez wapień. |
| Inne | 1,5 | Innymi powszechnie występującymi pierwiastkami w skorupie ziemskiej są tytan, wodór, fosfor, mangan, fluor itp. Ich występowanie jest nieco bardziej ograniczone, ale wszystkie one są ważnymi pierwiastkami w minerałach i skałach. Wodór jest w rzeczywistości bardzo rozpowszechnionym składnikiem szerokiej gamy minerałów, ale jest najlżejszym pierwiastkiem chemicznym i dlatego nie stanowi znaczącej części skorupy ziemskiej pod względem masy. | |
Najobfitsze minerały w skorupie ziemskiej
Jeśli te minerały są naprawdę tak powszechne, wszyscy powinniśmy być z nimi dobrze zaznajomieni. Tak, wierzę, że tak jest. Nawet jeśli nie wiemy jak je nazwać, to na pewno je widzieliśmy. Dla większości ludzi krzemiany wymienione powyżej są tak szare i pospolite, że prawdopodobnie nie zauważamy ich lub nie zwracamy na nie uwagi. Poniżej znajduje się wybór zdjęć pokazujących te minerały w ich naturalnym środowisku (odkrywki i próbki z ręki). Celowo pokazuję minerały wewnątrz skał, ponieważ tak właśnie występują one w skorupie ziemskiej. Piękne próbki z idealnymi kryształami mogą być miłe dla oka, ale są rzadkie w skorupie ziemskiej. Nie cenię takich kryształów jako materiału dydaktycznego. Jest bardzo mało prawdopodobne, że znajdziesz je na własną rękę i dlatego niewiele nas one uczą.
Plagioklaz jest najważniejszym minerałem w skorupie ziemskiej. Jest on powszechny w mafickich skałach iglastych, takich jak powyższa próbka diabazu. Białe, wydłużone fenokryształy w drobniejszej masie bazaltowej to kryształy plagioklazu. Czarne kryształy należą do piroksenu (minerał augitu). Zarówno augit jak i plagioklazy występują również w drobnoziarnistej masie podstawowej. Duże kryształy tworzyły się powoli przed erupcją magmy, a reszta szybko zastygała. Plagioklazy są tak powszechne, ponieważ skały bazaltowe i ich metamorficzne odpowiedniki są bardzo rozpowszechnione. Większość skorupy oceanicznej składa się ze skał bazaltowych. Próbka pochodzi z Teneryfy, Wyspy Kanaryjskie. Szerokość próbki 14 cm.
Kolejna próbka skały bazaltowej, ale tym razem z dużą ilością oliwinu. Oliwin (zielony) jest gęstszy od plagioklazu i piroksenu (oba są obecne w masie ziemnej) i dlatego opada na dno strumieni lawy, gdzie tworzą się skały kumulacyjne oliwinu. Ta próbka bazaltu oliwinowego pochodzi z Oahu na Hawajach. Szerokość próbki 6 cm. 
Minerały gliny są zbyt małe, by można je było pokazać pojedynczo. Nawet w mikroskopie świetlnym widać tylko błoto lub pył w zależności od tego, czy minerały te są mokre czy suche. Minerały ilaste to krzemiany, które są produktami wietrzenia innych minerałów krzemianowych, głównie skaleni. Zdjęcie zostało zrobione w kamieniołomie gliny w Estonii.
Biotyt jest jednym z dwóch głównych minerałów miki. Drugim jest muskowit o jasnym zabarwieniu. Próbka pochodzi z Evje, Norwegia. Szerokość próbki 11 cm.
Najliczniejsze typy skał w skorupie ziemskiej
Skały dzielą się na trzy szerokie grupy: skały iglaste, metamorficzne i osadowe. Skorupa oceaniczna składa się głównie z bazaltowych skał iglastych, które są pokryte cienką warstwą osadów, które są najgrubsze w pobliżu krawędzi lądów kontynentalnych. Skorupa kontynentalna jest znacznie grubsza i starsza. Skorupa kontynentalna jest również o wiele bardziej zmienna i strukturalnie bardzo złożona. Praktycznie wszystkie znane człowiekowi typy skał występują w skorupie kontynentalnej. Nawet meteoryty, ksenolity z płaszcza i ophiolity (fragmenty dawnej skorupy oceanicznej) są składnikami skorupy kontynentalnej, ponieważ właśnie tam je znaleźliśmy.
Mniej więcej trzy czwarte skorupy kontynentalnej pokryte jest skałami osadowymi, a prawie cała pokryta jest osadami luźnymi (gleba, piasek, brud itp.). Z tymi materiałami spotykamy się najczęściej, ale ważne jest, by zrozumieć, że mimo ich wszechobecności na powierzchni, stanowią one tylko około 8% całej masy skorupy. Osady po zasypaniu konsolidują się w skały osadowe. Piasek zmienia się w piaskowiec, muł wapienny w wapień, glina w iłowiec. Skały osadowe są stabilne tylko w górnych partiach skorupy ziemskiej. Wysokie ciśnienie i temperatura w głębszych partiach metamorfizują je (minerały rekrystalizują) w różne skały metamorficzne. Większa część skorupy kontynentalnej zbudowana jest ze skał metamorficznych. Skały iglaste są również powszechne na powierzchni w regionach aktywnych wulkanicznie, ale występują również głębiej w skorupie jako intruzje granitowe (głównie).
Ważne osady to piasek, glina, muł (mokra mieszanina gliny i drobnego piasku) i muł wapienny. Rozpowszechnione skały osadowe to wapienie (2% objętości skorupy), piaskowce (1,7%), iłowce (4,2%), które są zlityfikowanymi wersjami luźnych osadów wspomnianych wcześniej. Ważne są również osady chemiczne, takie jak halit i gips, ale ich całkowita objętość jest wyraźnie mniejsza niż 1% objętości skorupy. Ważnymi skałami iglastymi są granit, granodioryt, gabro, bazalt, dioryt, andezyt itd. Bardzo trudno jest określić, jaki jest procentowy udział tych skał. Ważne skały metamorficzne są zmetamorfizowanymi odpowiednikami szeroko rozpowszechnionych skał osadowych i iglastych. Pospolite skały metamorficzne to łupek (zmetamorfizowany iłowiec), łupek (met. iłowiec, wyższy stopień niż łupek), kwarcyt (met. piaskowiec), marmur (met. wapień), gnejs (met. skała iglasta lub osadowa), amfibolit (met. skała bazaltowa).
Sedymenty i skały osadowe
Większość skał węglanowych była kiedyś mułem węglanowym na dnie morza. Błoto to zbudowane jest z drobnych skorupek węglanowych foraminiferów, kokkolitoforów, ślimaków itp. Ta próbka to piasek koralowy z Bermudów, który składa się z kawałków i fragmentów raf koralowych i prób foramowych. Szerokość widoku 32 mm.
Piaskowiec to piasek zlityfikowany. Ta próbka piasku to piasek wydmowy z pustyni Gobi, Mongolia. Szerokość widoku 10 mm.
Wapień jest zwykle złożony z wapiennych szczątków morskich form życia. Czasami są one na tyle duże, że można je dostrzec gołym okiem. Oto skamieniały wapień z Estonii (ordowik) ze skamieniałościami trylobitów, ramienionogów, mszywiołów itp. Szerokość próbki 16 cm.
Gips jest minerałem ewaporytowym. Ewaporyty to rozpuszczalne w wodzie osady chemiczne, które krystalizują się ze stężonej (o wysokim zasoleniu) wody morskiej w lagunach. Zdjęcie zrobione na Cyprze.
Piaskowiec to zrytmizowany piasek. Czerwonawe zabarwienie zawdzięcza drobnemu proszkowi hematytu (tlenku żelaza), który pokrywa ziarna kwarcu stanowiące większość osadu. Wychodnia dewońskiego piaskowca w Estonii.
Wapień to w większości przypadków zlinityzowany muł wapienny. Wychodnia wapieni sylurskich w Saaremaa w Estonii.
Mułowce (alternatywne nazwy to łupki, iłowce, argillity) to zrytualizowane mułowce. Wychodnia w Szkocji. Młotek dla skali. Mułowce są najbardziej rozpowszechnionymi skałami osadowymi.
Mułowce tworzą się w większości przypadków, gdy szybko poruszająca się podwodna lawina błotnistej wody przemieszcza się w dół stoku kontynentalnego. Taki przepływ osadów nazywany jest prądem mętności. Sekwencja mętności składa się zwykle z wielu naprzemiennych warstw mułowców (bardzo drobnych piaskowców) i mułu. Muł osadza się szybciej niż minerały ilaste i dlatego każdy prąd składa się z dwóch różnych warstw (może być ich nawet więcej). Oto zdjęcie ciemno zabarwionego mułowca i znajdującego się pod nim jasnego mułowca. Próbki te pochodzą z prądu mętnościowego z Hiszpanii. Próbki pochodzą z jednej wychodni, ale nie znajdowały się tam obok siebie. Szerokość próbek wynosi około 20 cm.
Odkrywka turbidytów w Maroku. Sekwencje sedymentacyjne tego typu były wcześniej znane jako flysch. Obecnie termin ten jest rzadko używany, ponieważ wyjaśnienie jak powstaje flisz jest już wyraźnie przestarzałe. Był on kiedyś integralną częścią teorii geosynklinalnej, która próbowała wyjaśnić proces powstawania gór, zanim zrozumieliśmy, że istnieje znacznie lepsze wyjaśnienie znane jako tektonika płyt.
Skały ignetyczne
Skały ignetyczne są klasyfikowane według zawartości krzemionki. Skały, które zawierają dużo krzemionki są zwykle jasnego koloru. Najważniejszymi minerałami są skalenie i kwarc. Skały te są określane jako skały felsowe (skaleń + krzemionka). Popularnymi skałami felsowymi są granit i ryolit. Skały mafickie mają niską zawartość krzemionki, ale stosunkowo wysoką zawartość magnezu i żelaza. Są ciemno zabarwione i noszą nazwę skał mafickich (magnez + żelazo). Niezależnie jednak od tego, czy są to skały felsiczne czy mafickie, zawsze zawierają znacznie więcej krzemu niż magnezu i żelaza. Ważnymi minerałami w skałach mafickich są piroksen, plagioklaz, a czasami także oliwin lub amfibol. Istnieją również skały pośrednie pod względem składu (dioryt i andezyt).
Skały ignetyczne są dalej klasyfikowane jako skały intruzywne (plutoniczne) i ekstruzywne (wulkaniczne). Skały intruzywne są gruboziarniste, a skały ekstruzywne drobnoziarniste. Granit, dioryt i gabro to skały intruzywne. Ryt, andezyt i bazalt to skały wulkaniczne. Skały felsowe są znacznie bardziej lepkie i dlatego stosunkowo rzadko wyłamują się na powierzchnię. Zazwyczaj zastygają jako skały intruzywne. Stąd granit jest bardzo powszechnym typem skały, podczas gdy ryolit nie jest rzadki, ale nigdzie nie jest tak rozpowszechniony jak granit. Inaczej jest ze skałami maficznymi. Magma bazaltowa jest mniej lepka i stosunkowo łatwo wypływa na powierzchnię. Bazalt jest bardzo powszechnym typem skały, zwłaszcza w górnej części skorupy oceanicznej. Andezyt znajduje się gdzieś pośrodku. Jest to dość powszechny typ skały związany z wulkanizmem strefy subdukcji, ale nie tak rozpowszechniony jak bazalt.
Przy okazji, średni skład skorupy kontynentalnej jest taki jak andezytu. Stąd wierzymy, że daje nam to wskazówkę, jak uformowała się skorupa kontynentalna. Jest to wulkanizm strefy subdukcji, który tworzy lawę pośrednią w składzie, która jest mniej gęsta niż skały bazaltowe skorupy oceanicznej i dlatego nie jest w stanie zanurzyć się z powrotem w płaszczu. Tak więc skorupa kontynentalna nie jest poddawana recyklingowi przez przenośnik taśmowy skorupy oceanicznej i może się tylko powiększać i powiększać z upływem czasu.
Rhyolit jest wulkanicznym odpowiednikiem granitu. Próbka ze Szkocji ma 8 cm szerokości.
Gabro to maficzna skała intruzyjna. Próbka z Cypru (z opolitu Troodos, który reprezentuje dawną skorupę oceaniczną) ma 7 cm szerokości.
Bazalt jest wulkanicznym odpowiednikiem gabro. Próbka z Irlandii Północnej ma 8 cm szerokości.
Andezyt jest powszechnie występującą skałą wulkaniczną, której skład jest pośredni między skałami maficznymi i felsytycznymi. Białym minerałem jest plagioklaz. Szerokość próbki z Santorini wynosi 7 cm.
Skały metamorficzne
Ten typ skały był kiedyś piaskowcem, ale został zakopany tak głęboko, że ziarna kwarcu stopiły się razem, tworząc twardą skałę metamorficzną znaną jako kwarcyt. Próbka pochodzi z Irlandii.
Marmur jest zmetamorfizowanym wapieniem. W jego skład wchodzi kalcyt. Wychodnia znajduje się w Karelii w Rosji.
Schist to silnie sfałdowana skała metamorficzna, najprawdopodobniej zmetamorfizowany mułowiec. Zdjęcie wykonane w Szkocji.
Ręczna próbka łupku z Hiszpanii. Szerokość próbki 9 cm.
Szlif chlorytowy to zmetamorfizowana skała maficzna, bogata w żelazonośny zielony minerał krzemianowy chloryt, który nadaje skale łupkową szczelinę. Szerokość próbki 13 cm.
Gnejs jest bardzo powszechną skałą metamorficzną. Być może nawet jedna piąta skorupy ziemskiej składa się ze skał gnejsowych. Karelia, Rosja. Ten okaz ma skład zwykłego granitu: różowy skaleń K, szary kwarc i czarny biotyt. Szerokość próbki 11 cm.
Dalsza lektura
.