Состав земли: химические элементы и соединения¶

Состав земли — совокупность химических элементов и их соединений, образующих планеты Земля, включая её атмосферу, гидросферу, биосферу и твёрдые оболочки (литосферу и мантию). Состав неоднороден и изменяется с глубиной, что связано с процессами дифференциации вещества на ранних этапах формирования планеты.

¶Химический состав Земли в целом

По массе Земля преимущественно состоит из четырёх элементов: железа (Fe), кислорода (O), кремния (Si) и магния (Mg). На их долю приходится около 93 % массы всей планеты. Остальные элементы, включая алюминий, никель, серу, кальций и натрий, присутствуют в значительно меньших количествах.

Средний валовой состав планеты оценивается по данным сейсмологии, метеоритам и моделям внутреннего строения. Приблизительное распределение элементов по массе выглядит следующим образом:

• Железо — около 32 %;
• Кислород — около 30 %;
• Кремний — около 15 %;
• Магний — около 14 %;
• Сера — около 2–3 %;
• Никель — около 1,8 %;
• Кальций, алюминий, натрий — по 1–2 % в сумме.

Такое распределение объясняется тем, что Земля сформировалась из протопланетного облака, обогащённого тугоплавкими элементами, и прошла стадию расплавления, в ходе которой тяжёлое железо опустилось к центру, образовав ядро.

¶Состав земной коры

Земная кора — самая верхняя и наиболее изученная оболочка. Её средняя толщина составляет 5–70 км. В отличие от планеты в целом, кора резко обогащена кислородом и кремнием, а доля железа и магния заметно ниже.

Химический состав континентальной коры (по массе):

• Кислород — около 46,6 %;
• Кремний — около 27,7 %;
• Алюминий — около 8,1 %;
• Железо — около 5,0 %;
• Кальций — около 3,6 %;
• Натрий — около 2,8 %;
• Калий — около 2,6 %;
• Магний — около 2,1 %.

Океаническая кора отличается от континентальной: она содержит меньше кремнезёма и больше магния и железа, поскольку сложена преимущественно базальтами и габбро.

¶Минеральный состав

В виде минералов и горных пород главную роль играют силикаты и алюмосиликаты. Основные породообразующие минералы коры:

• полевые шпаты (плагиоклазы и калиевые шпаты) — около 50–60 % объёма коры;
• кварц (SiO₂) — около 12 %;
• слюды (биотит, мусковит) — около 5 %;
• амфиболы и пироксены — около 10–15 %;
• оливин — характерен для мантийных пород и базальтов.

Наиболее распространённые горные породы коры — граниты (континентальная кора) и базальты (океаническая кора).

¶Состав мантии

Мантия занимает около 84 % объёма Земли и простирается от подошвы коры до границы с ядром (примерно 2900 км). Её состав близок к ультраосновным породам — перидотитам. Главные элементы мантии — кислород, кремний, магний и железо. В минералогическом отношении преобладают оливин, пироксены и гранаты.

В верхней мантии выделяют астеносферу — частично расплавленный слой, по которому происходит перемещение литосферных плит. С глубиной минералы переходят в более плотные модификации (например, оливин — в вадслеит и рингвудит), а в нижней мантии (ниже 660 км) доминируют перовскит и ферропериклаз.

¶Состав ядра

Ядро Земли, радиусом около 3500 км, состоит преимущественно из железа и никеля (сплав, близкий к железу с примесью никеля), а также лёгких элементов — серы, кремния, кислорода, возможно, водорода. Внешнее ядро находится в жидком состоянии, что подтверждается отсутствием прохождения поперечных сейсмических волн. Внутреннее ядро твёрдое, его температура достигает 5000–6000 °C, давление — до 360 ГПа.

Доля ядра в массе Земли — около 32 %, однако его химический состав определяет магнитное поле планеты, генерируемое конвективными движениями жидкого железа.

¶Состав атмосферы

Атмосфера Земли — газовая оболочка, химический состав которой резко отличается от твёрдых оболочек. Современный состав сухого воздуха у поверхности:

• Азот (N₂) — 78,08 % по объёму;
• Кислород (O₂) — 20,95 %;
• Аргон (Ar) — 0,93 %;
• Углекислый газ (CO₂) — около 0,04 % (переменная величина);
• Неон, гелий, метан, криптон, водород, закись азота — доли процента.

Важной переменной составляющей является водяной пар, содержание которого колеблется от 0 до 4 % по объёму. Кислород атмосферы имеет биогенное происхождение — он накоплен в результате фотосинтеза цианобактерий и растений. В верхних слоях атмосферы (термосфера, экзосфера) состав меняется: лёгкие газы (водород, гелий) преобладают, а атмосфера постепенно переходит в межпланетное пространство.

¶Состав гидросферы

Гидросфера включает Мировой океан, подземные воды, ледники, реки и озёра. Морская вода — это раствор, в котором на 96,5 % массы приходится вода (H₂O), а на 3,5 % — растворённые соли. Средняя солёность океана — около 35 промилле.

Главные ионы морской воды:

• хлорид (Cl⁻) — около 55 % массы солей;
• натрий (Na⁺) — около 30 %;
• сульфат (SO₄²⁻) — около 7 %;
• магний (Mg²⁺) — около 3,7 %;
• кальций (Ca²⁺) — около 1,2 %;
• калий (K⁺) — около 1,1 %.

Пресные воды содержат значительно меньше растворённых веществ (обычно 0,01–0,5 г/л) и отличаются преобладанием гидрокарбонатов и кальция. Ледники содержат почти 69 % всей пресной воды планеты.

¶Биосфера и органическое вещество

Биосфера — оболочка, населённая живыми организмами. По массе живого вещества доминируют растения (более 99 %), прежде всего наземная растительность. Химический состав живых организмов основан на органогенных элементах: углероде, водороде, кислороде, азоте, фосфоре и сере. В пересчёте на сухое вещество углерод составляет около 50 % массы.

Органическое вещество в осадочных породах (кероген, нефть, уголь) образует крупный резервуар углерода в земной коре. Круговорот углерода, азота и воды связывает биосферу с атмосферой, гидросферой и литосферой.

¶Методы изучения состава Земли

Прямые методы — бурение скважин (глубочайшая — Кольская сверхглубокая, 12 262 м) и изучение обнажений горных пород — дают информацию только о верхней части коры. Для глубинных оболочек применяются косвенные методы:

• сейсмология — анализ скоростей распространения продольных и поперечных волн;
• геохимия метеоритов — сравнение состава Земли с хондритами;
• экспериментальная минералогия — воспроизведение условий высоких давлений и температур;
• изотопная геохимия — определение возраста и источников вещества.

Эти методы позволяют строить модели валового состава планеты, которые уточняются по мере накопления данных.