Характерное свойство земного шара - его неоднородность. Он подразделяется на ряд слоёв или сфер, которые делятся на внутренние и внешние.
Внутренние сферы Земли : земная кора, мантия и ядро.
Земная кора наиболее неоднородна. По глубине в ней выделяется 3 слоя (сверху вниз): осадочный, гранитный и базальтовый.
Осадочный слой образован мягкими, а иногда и рыхлыми горными породами, возникшими путём осаждения вещества в водной или воздушной среде на поверхности Земли. Осадочные породы обычно расположены в виде пластов, ограниченных параллельными плоскостями. Мощность слоя колеблется от нескольких метров до 10-15 км. Есть участки, где осадочный слой практически полностью отсутствует.
Гранитный слой сложен в основном магматическими и метаморфическими породами, богатыми Al и Si. Среднее содержание SiO 2 в них более 60%, поэтому их относят к кислым породам. Плотность пород слоя 2,65-2,80 г/см 3 . Мощность 20-40 км. В составе океанической коры (например, на дне Тихого океана) гранитный слой отсутствует, являясь, таким образом, неотъемлемой частью именно континентальной земной коры.
Базальтовый слой лежит в основании земной коры и является сплошным, то есть, в отличие от гранитного слоя, присутствует в составе и континентальной, и океанической коры. Отделяется от гранитного поверхностью Конрада (К), на которой скорость сейсмических волн изменяется с 6 до 6,5 км/сек. Вещество, слагающее базальтовый слой, по химическому составу и физическим свойствам близко к базальтам (менее богатым SiO 2 , чем граниты). Плотность вещества достигает 3,32 г/см 3 . Скорость прохождения продольных сейсмических волн увеличивается от 6,5 до 7 км/сек у нижней границы, где снова происходит скачок скорости и она достигает 8-8,2 км/сек. Эта нижняя граница земной коры прослеживается повсюду и называется границей Мохоровичича (югославский ученый) или границей М.
Мантия располагается под земной корой в интервале глубин от 8-80 до 2900 км. Температура в верхних слоях (до 100 км) - 1000-1300 о С, с глубиной повышается и у нижней границы достигает 2300 о С. Однако вещество находится там в твердом состоянии вследствие давления, которое на больших глубинах составляет сотни тысяч и миллионы атмосфер. На границе с ядром (2900 км) наблюдается преломление и частичное отражение продольных сейсмических волн, а поперечные волны эту границу не проходят ("сейсмическая тень" составляет от 103 о до 143 о дуги). Скорость распространения волн в нижней части мантии - 13,6 км/сек.
Сравнительно недавно стало известно, что в верхней части мантии располагается слой разуплотнённых пород - астеносфера, лежащий на глубине 70-150 км (под океанами глубже), в котором фиксируется падение скоростей упругих волн приблизительно на 3 %.
Ядро по физическим свойствам резко отличается от облекающей его мантии. Скорость прохождения продольных сейсмических волн составляет 8,2-11,3 км/сек. Дело в том, что на границе мантии и ядра происходит резкое падение скорости продольных волн от 13,6 до 8,1 км/сек. Ученые давно пришли к выводу, что плотность ядра значительно выше плотности поверхностных оболочек. Она должна отвечать плотности железа, находящегося в соответствующих барометрических условиях. Поэтому широко распространено представление о том, что ядро состоит из Fe и Ni и обладает магнитными свойствами. Присутствие в ядре этих металлов связывается с первичной дифференциацией вещества по удельному весу. В пользу железо-никелевого ядра говорят и метеориты. Ядро разделяется на внешнее и внутреннее. Во внешней части ядра давление составляет 1,5 млн. атм.; плотность 12 г/см 3 . Продольные сейсмические волны распространяются здесь со скоростью 8,2-10,4 км/сек. Внутреннее ядро находится в жидком состоянии, и конвективные потоки в нём индуцируют магнитное поле Земли. Во внутреннем ядре давление достигает 3,5 млн. атм., плотность 17,3-17,9 г/см 3 , скорость продольных волн 11,2-11,3 км/сек. Расчёты показывают, что температура должна достигать там нескольких тысяч градусов (до 4000 о). Вещество там находится в твердом состоянии благодаря высокому давлению.
Внешние сферы Земли: гидросфера, атмосфера и биосфера.
Гидросфера объединяет всю совокупность проявления форм воды в природе, начиная от сплошного водного покрова, занимающего 2/3 поверхности Земли (моря и океаны) и кончая водой, входящей в состав горных пород и минералов. в таком понимании гидросфера является непрерывной оболочкой Земли. В нашем курсе рассматривается прежде всего та часть гидросферы, которая образует самостоятельный водный слой - океаносфера.
Из общей площади Земли в 510 млн. км 2 , 361 млн. км 2 (71 %) покрыт водой. Схематически рельеф дна Мирового океана изображается в виде гипсографической кривой. На ней показано распределение высоты суши и глубины океанов; четко выражены 2 уровня морского дна с глубинами 0-200 м и 3-6 км. Первый из них - область относительного мелководья, опоясывающая в виде подводной площадки побережья всех континентов. Это материковая отмель или шельф. Со стороны моря шельф ограничен крутым подводным уступом - континентальным склоном (до 3000 м). На глубинах 3-3,5 км располагается континентальное подножие. Ниже 3500 м начинается океаническое ложе (ложе океана), глубина которого до 6000 м. Континентальное подножие и ложе океана составляют второй ясно выраженный уровень морского дна, сложенный типично океанической корой (без гранитного слоя). Среди океанического ложа, главным образом в периферических частях Тихого океана, располагаются глубоководные впадины (желоба) - от 6000 до 11000 м. Примерно так гипсографическая кривая выглядела еще 20 лет назад. Одним из важнейших геологических открытий последнего времени явилось открытие срединных океанических хребтов - глобальной системы подводных гор, приподнятых над ложем океана на 2 и более километра и занимающих до 1/3 площади океанического дна. О геологическом значении этого открытия будет сказано позднее.
В воде океанов присутствуют почти все известные химические элементы, однако преобладают только 4: O 2 , H 2 , Na, Cl. Содержание растворённых в морской воде химических соединений (солёность) определяется в весовых процентах или промилле (1 промилле = 0,1 %). Средняя солёность океанской воды 35 промилле (в 1 л воды 35 г солей). Солёность меняется в широких пределах. Так, в Красном море она достигает 52 промилле, в Чёрном море до 18 промилле.
Атмосфера представляет собой самую верхнюю воздушную оболочку Земли, которая окутывает ее сплошным покровом. Верхняя граница не отчетлива, так как плотность атмосферы убывает с высотой и переходит в безвоздушное пространство постепенно. Нижняя граница - поверхность Земли. Эта граница также условна, так как воздух проникает на некоторую глубину в каменную оболочку и содержится в растворенном виде в толще воды. В атмосфере выделяются 5 основных сфер (снизу вверх): тропосфера, стратосфера, мезосфера, ионосфера и экзосфера. Для геологии важна тропосфера, так как она соприкасается непосредственно с земной корой и оказывает на нее существенное влияние.
Тропосфера отличается большой плотностью, постоянным наличием водяного пара, углекислоты и пыли; постепенным понижением температуры с высотой и существованием в ней вертикальной и горизонтальной циркуляции воздуха. В химическом составе помимо основных элементов - О 2 и N 2 - всегда присутствуют СО 2 , водяной пар, немного инертных газов (Ar), Н 2 , сернистый ангидрид и пыль. Циркуляция воздуха в тропосфере очень сложна.
Биосфера - своеобразная оболочка (выделена и названа акад. В.И.Вернадским), объединяет те оболочки, в которых присутствует жизнь. Она не занимает обособленного пространства, но проникает в земную кору, атмосферу и гидросферу. Биосфера играет большую роль в геологических процессах, участвуя как в создании горных пород, так и в их разрушении.
Живые организмы наиболее глубоко проникают в гидросферу, которую часто называют "колыбелью жизни". Особенно богата жизнь в океаносфере, в ее поверхностных слоях. В зависимости от физико-географической обстановки, в первую очередь от глубин, в морях и океанах выделяется несколько биономических зон (греч. "биос" - жизнь, "номос" - закон). Эти зоны различаются по условиям существования организмов и их составу. В области шельфа выделяются 2 зоны: литоральная и неритовая. Литораль - это сравнительно узкая полоса мелководья, два раза в сутки осушаемая во время отлива. Благодаря специфике литораль заселена организмами, способными переносить временное осушение (морские черви, некоторые моллюски, морские ежи, звёзды). Глубже зоны приливов и отливов в пределах шельфа расположена неритовая зона, наиболее богато населённая разнообразными морскими организмами. Здесь широко представлены все типы животного мира. По образу жизни различают бентосных животных (обитателей дна): сидячий бентос (кораллы, губки, мшанки и т.д.), блуждающий бентос (ползающие - ежи, звёзды, раки). Нектонные животные способны самостоятельно передвигаться (рыбы, головоногие моллюски); планктонные (планктон) - парящие в воде во взвешенном состоянии (фораминиферы, радиолярии, медузы). Материковому склону соответствует батиальная зона, континентальному подножию и океаническому ложу - абиссальная зона. Условия жизни в них мало благоприятны - полный мрак, высокое давление, отсутствие водорослей. Однако и там в последнее время обнаружены абиссальные оазисы жизни, приуроченные к подводным вулканам и зонам истечения гидротерм. Основу биоты здесь составляют гигантские анаэробные бактерии, вестиментиферы и другие своеобразные организмы.
Глубина проникновения живых организмов внутрь Земли в основном лимитируется температурными условиями. Теоретически для самых стойких прокариот она составляет 2,5-3 км. Живое вещество активно влияет на состав атмосферы, которая в современном виде - результат жизнедеятельности организмов, обогативших ее кислородом, углекислым газом, азотом. Чрезвычайно велика роль организмов в формировании морских осадков, многие из которых являются полезными ископаемыми (каустобиолиты, джеспилиты и др.).
Вопросы для самопроверки.
Как формировались взгляды на происхождение Солнечной системы?
Каковы форма и размеры Земли?
Из каких твердых оболочек состоит Земля?
Чем отличается континентальная кора от океанической?
Чем обусловлено магнитное поле Земли?
Что такое гипсографическая кривая, ее вид?
Что такое бентос?
Что такое биосфера, ее границы?
У земного шара есть несколько оболочек: — воздушная оболочка, — водная оболочка, — твердая оболочка.
Третья за отдаленностью от Солнца планета- Земля имеет радиус 6370 км, среднюю плотность- 5,5 г/см2. Во внутреннем строении Земли принято различать следующие слои:
земная кора — верхний слой Земли, в котором могут существовать живые организмы. Толщина земной коры может быть от 5 до 75 км.
мантия — твердый слой, который находится ниже земной коры. Его температура достаточно высока, однако вещество находится в твердом состоянии. Толщина мантии порядка 3 000 км.
ядро
— центральная часть земного шара. Его радиус приблизительно 3 500 км. Температура внутри ядра очень высока. Считается, что ядро состоит в основном из расплавленного металла,
предположительно — железа.
Земная кора
Выделяют два основных типа земной коры — континентальный и океанический, плюс промежуточный, субконтинентальный.
Земная кора тоньше под океанами (около 5 км) и толще — под материками (до 75 км.). Она неоднородна, различают три слоя: базальтовый (залегает ниже всего), гранитный и осадочный (верхний). Континентальная кора состоит из трех слоев, тогда как в океанической гранитный слой отсутствует. Земная кора формировалась постепенно: сначала был сформирован базальтовый слой, затем — гранитный, осадочный слой продолжает формироваться и в настоящее время.
— вещество, из которого состоит земная кора. Горные породы подразделяются на следующие группы:
1. Магматические горные породы. Они образуются при затвердевании магмы в толще земной коры или на поверхности.
2. Осадочные горные породы. Они образуются на поверхности, формируются из продуктов разрушения или изменения других пород, биологических организмов.
3. Метаморфические горные породы. Они образуются в толще земной коры из других горных пород под действием определенных факторов: температуры, давления.
Методы изучения внутреннего строения и состава ЗемлиМетоды изучения внутреннего строения и состава Земли можно разделить на две основные группы: геологические методы и геофизические методы. Геологические методы базируются на результатах непосредственного изучения толщ горных пород в обнажениях, горных выработках (шахтах, штольнях и пр.) и скважинах. При этом в распоряжении исследователей имеется весь арсенал методов исследования строения и состава, что определяет высокую степенью детальности получаемых результатов. Вместе с тем, возможности этих методов при изучении глубин планеты весьма ограничены – самая глубокая в мире скважина имеет глубину лишь -12262 м (Кольская сверхглубокая в России), ещё меньшие глубины достигнуты при бурении океанического дна (около -1500 м, бурение с борта американского исследовательского судна «Гломар Челленджер»). Таким образом, непосредственному изучению доступны глубины, не превышающие 0,19% радиуса планеты.
Сведения о глубинном строении базируются на анализе косвенных данных, полученных геофизическими методами
, главным образом закономерностей изменения с глубиной различных физических параметров (электропроводности, механической добротности и т.д.), измеряемых при геофизических исследованиях. В основу разработки моделей внутреннего строения Земли положены в первую очередь результаты сейсмических исследований, опирающиеся на данные о закономерностях распространения сейсмических волн. В очагах землетрясений и мощных взрывов возникают сейсмические волны – упругие колебания. Эти волны разделяются на объёмные – распространяющиеся в недрах планеты и «просвечивающие» их подобно рентгеновским лучам, и поверхностные – распространяющиеся параллельно поверхности и «зондирующие» верхние слои планеты на глубину десятки – сотни километров.
Объемные волны, в свою очередь, разделяются на два вида – продольные и поперечные. Продольные волны, имеющие большую скорость распространения, первыми фиксируются сейсмоприёмниками, их называют первичными или Р-волнами (от англ. рrimary - первичные
), более «медленные» поперечные волны называют S-волны (от англ. secondary - вторичные
). Поперечные волны, как известно, обладают важной особенностью – они распространяются только в твёрдой среде.
На границах сред с разными свойствами происходит преломление волн, а на границах резких изменений свойств, помимо преломлённых, возникают отраженные и обменные волны. Поперечные волны могут иметь смещение, перпендикулярное плоскости падения (SH-волны) или смещение, лежащее в плоскости падения (SV-волны). При переходе границы сред с разными свойствами волны SH испытывают обычное преломление, а волны SV, кроме преломлённой и отражённой SV-волн, возбуждают P-волны. Так возникает сложная система сейсмических волн, «просвечивающих» недра планеты.
Анализируя закономерности распространения волн можно выявить неоднородности в недрах планеты - если на некоторой глубине фиксируется скачкообразное изменение скоростей распространения сейсмических волн, их преломление и отражение, можно заключить, что на этой глубине проходит граница внутренних оболочек Земли, различающихся по своим физическим свойствам.
Изучение путей и скорости распространения в недрах Земли сейсмических волн позволили разработать сейсмическую модель её внутреннего строения.
Сейсмические волны, распространяясь от очага землетрясения в глубь Земли, испытывают наиболее значительные скачкообразные изменения скорости, преломляются и отражаются на сейсмических разделах, расположенных на глубинах 33 км и 2900 км от поверхности (см. рис.). Эти резкие сейсмические границы позволяют разделить недра планеты на 3 главные внутренние геосферы – земную кору, мантию и ядро.
Земная кора от мантии отделяется резкой сейсмической границей, на которой скачкообразно возрастает скорость и продольных, и поперечных волн. Так скорость поперечных волн резко возрастает с 6,7-7,6 км/с в нижней части коры до 7,9-8,2 км/с в мантии. Эта граница была открыта в 1909 г. югославским сейсмологом Мохоровичичем и впоследствии была названа границей Мохоровичича (часто кратко называемой границей Мохо, или границей М). Средняя глубина границы составляет 33 км (нужно заметить, что это весьма приблизительное значение в силу разной мощности в разных геологических структурах); при этом под континентами глубина раздела Мохоровичича может достигать 75-80 км (что фиксируется под молодыми горными сооружениями – Андами, Памиром), под океанами она понижается, достигая минимальной мощности 3-4 км.
Ещё более резкая сейсмическая граница, разделяющая мантию и ядро, фиксируется на глубине 2900 км . На этом сейсмическом разделе скорость Р-волн скачкообразно падает с 13,6 км/с в основании мантии до 8,1 км/с в ядре; S-волны – с 7,3 км/с до 0. Исчезновение поперечных волн указывает, что внешняя часть ядра обладает свойствами жидкости. Сейсмическая граница, разделяющая ядро и мантию, была открыта в 1914 г. немецким сейсмологом Гутенбергом, и её часто называют границей Гутенберга , хотя это название и не является официальным.
Резкие изменения скорости и характера прохождения волн фиксируются на глубинах 670 км и 5150 км. Граница 670 км разделяет мантию на верхнюю мантию (33-670 км) и нижнюю мантию (670-2900 км). Граница 5150 км разделяет ядро на внешнее жидкое (2900-5150 км) и внутреннее твёрдое (5150-6371 км).
Существенные изменения отмечаются и на сейсмическом разделе 410 км , делящим верхнюю мантию на два слоя.
Полученные данные о глобальных сейсмических границах дают основание для рассмотрения современной сейсмической модели глубинного строения Земли.
Внешней оболочкой твёрдой Земли является земная кора , ограниченная границей Мохоровичича. Эта относительно маломощная оболочка, толщина которой составляет от 4-5 км под океанами до 75-80 км под континентальными горными сооружениями. В составе знмной коры отчетливо выделяется верхний осадочный слой , состоящий из неметаморфизованных осадочных пород, среди которых могут присутствовать вулканиты, и постилающая его консолидированная , или кристаллическая , кора , образованная метаморфизованными и магматическими интрузивными породами.Существуют два главных типа земной коры – континентальная и океанская, принципиально различающиеся по строению, составу, происхождению и возрасту.
Континентальная кора
залегает под континентами и их подводными окраинами, имеет мощность от 35-45 км до 55-80 км, в её разрезе выделяются 3 слоя. Верхний слой, как правило, сложен осадочными породами, включающими небольшое количество слабометаморфизованных и магматических пород. Этот слой называется осадочным. Геофизически он характеризуются низкой скоростью Р-волн в диапазоне 2-5 км/с. Средняя мощность осадочного слоя около 2,5 км.
Ниже располагается верхняя кора (гранито-гнейсовый или «гранитный» слой), сложенный магматическими и метаморфическими породами богатыми кремнезёмом (в среднем соответствующими по химическому составу гранодиориту). Скорость прохождения Р-волн в данном слое составляет 5,9-6,5 км/с. В основании верхней коры выделяется сейсмический раздел Конрада, отражающий возрастание скорости сейсмических волн при переходе к нижней коре. Но этот раздел фиксируется не повсеместно: в континентальной коре часто фиксируется постепенное возрастание скоростей волн с глубиной.
Нижняя кора (гранулито-базитовый слой) отличается более высокой скоростью волн (6,7-7,5 км/с для Р-волн), что обусловлено изменением состава пород при переходе от верхней мантии. Согласно наиболее приятой модели её состав соответствует гранулиту.
В формировании континентальной коры принимают участие породы различного геологического возраста, вплоть до самых древних возрастом около 4 млрд. лет.
Океанская кора имеет относительно небольшую мощность, в среднем 6-7 км. В её разрезе в самом общем виде можно выделить 2 слоя. Верхний слой – осадочный, характеризующийся малой мощностью (в среднем около 0,4 км) и низкой скоростью Р-волн (1,6-2,5 км/с). Нижний слой – «базальтовый» - сложенный основными магматическими породами (вверху – базальтами, ниже – основными и ультраосновными интрузивными породами). Скорость продольных волн в «базальтовом» слое нарастает от 3,4-6,2 км/с в базальтах до 7-7,7 км/с в наиболее низких горизонтах коры.
Возраст древнейших пород современной океанской коры около 160 млн. лет.
Мантия представляет собой наибольшую по объёму и массе внутреннюю оболочку Земли, ограниченную сверху границей Мохо, снизу – границей Гутенберга. В её составе выделяется верхняя мантия и нижняя мантия, разделённые границей 670 км.
Верхняя мания по геофизическим особенностям разделяется на два слоя. Верхний слой - подкоровая мантия - простирается от границы Мохо до глубин 50-80 км под океанами и 200-300 км под континентами и характеризуется плавным нарастанием скорости как продольных, так и поперечных сейсмических волн, что объясняется уплотнением пород за счёт литостатического давления вышележащих толщ. Ниже подкоровой мантии до глобальной поверхности раздела 410 км расположен слой пониженных скоростей. Как следует из названия слоя, скорости сейсмических волн в нем ниже, чем в подкоровой мантии. Более того, на некоторых участках выявляются линзы, вообще не пропускающие S-волны, это даёт основание констатировать, что вещество мантии на этих участках находится в частично расплавленном состоянии. Этот слой называют астеносферой (от греч. «asthenes» - слабый и «sphair» - сфера ); термин введён в 1914 американским геологом Дж. Барреллом, в англоязычной литературе часто обозначаемый LVZ – Low Velocity Zone . Таким образом, астеносфера – это слой в верхней мантии (расположенный на глубине около 100 км под океанами и около 200 км и более под континентами), выявляемый на основании снижения скорости прохождения сейсмических волн и обладающий пониженной прочностью и вязкостью. Поверхность астеносферы хорошо устанавливается и по резкому снижению удельного сопротивления (до значений около 100 Ом . м).
Наличие пластичного астеносферного слоя, отличающегося по механическим свойствам от твёрдых вышележащих слоёв, даёт основание для выделения литосферы - твердой оболочки Земли, включающей земную кору и подкоровую мантию, расположенную выше астеносферы. Мощность литосферы составляет от 50 до 300 км. Нужно отметить, что литосфера не является монолитной каменной оболочкой планеты, а разделена на отдельные плиты, постоянно движущиеся по пластичной астеносфере. К границам литосферных плит приурочены очаги землетрясений и современного вулканизма.
Глубже раздела 410 км в верхней мантии повсеместно распространяются и P-, и S-волны, а их скорость относительно монотонно нарастает с глубиной.
В нижней мантии , отделённой резкой глобальной границей 670 км, скорость Р- и S-волн монотонно, без скачкообразных изменений, нарастает соответственно до 13,6 и 7,3 км/с вплоть до раздела Гутенберга.
Во внешнем ядре скорость Р-волн резко снижается до 8 км/с, а S-волны полностью исчезают. Исчезновение поперечных волн даёт основание предполагать, что внешнее ядро Земли находится в жидком состоянии. Ниже раздела 5150 км находится внутреннее ядро, в котором возрастает скорость Р-волн, и вновь начинают распространяться S-волны, что указывает на его твёрдое состояние.
Фундаментальный вывод из описанной выше скоростной модели Земли состоит в том, что наша планета состоит из серии концентрических оболочек, представляющих железистое ядро, силикатную мантию и алюмосиликатную кору.
Геофизическая характеристика Земли
Распределение массы между внутренними геосферами
Основная часть массы Земли (около 68%) приходится на ее относительно лёгкую, но большую по объёму мантию, при этом примерно 50% приходится на нижнюю мантию и около 18% – на верхнюю. Оставшиеся 32% общей массы Земли приходятся в основном на ядро, причем его жидкая внешняя часть (29% общей массы Земли) гораздо тяжелее, чем внутренняя твердая (около 2%). На кору остается лишь менее 1% общей массы планеты.
Плотность
Плотность оболочек закономерно возрастает к центру Земли (см. рис). Средняя плотность коры составляет 2,67 г/см 3 ; на границе Мохо она скачкообразно возрастает с 2,9-3,0 до 3,1-3,5 г/см 3 . В мантии плотность постепенно возрастает за счет сжатия силикатного вещества и фазовых переходов (перестройкой кристаллической структуры вещества в ходе «приспособления» к возрастающему давлению) от 3,3 г/см 3 в подкоровой части до 5,5 г/см 3 в низах нижней мантии. На границе Гутенберга (2900 км) плотность скачкообразно увеличивается почти вдвое – до 10 г/см 3 во внешнем ядре. Еще один скачок плотности – от 11,4 до 13,8 г/см 3 - происходит на границе внутреннего и внешнего ядра (5150 км). Эти два резких плотностных скачка имеют различную природу: на границе мантия/ядро происходит изменение химического состава вещества (переход от силикатной мантии к железному ядру), а скачок на границе 5150 км связан с изменением агрегатного состояния (переход от жидкого внешнего ядра к твердому внутреннему). В центре Земли плотность вещества достигает 14,3 г/см 3 .
Давление
Давление в недрах Земли рассчитывается на основании ее плотностной модели. Увеличение давления по мере удаления от поверхности обуславливается несколькими причинами:
сжатием за счет веса вышележащих оболочек (литостатическое давление);
фазовыми переходами в однородных по химическому составу оболочках (в частности, в мантии);
различием в химическом составе оболочек (коры и мантии, мантии и ядра).
У подошвы континентальной коры давление составляет около 1 ГПа (точнее 0,9*10 9 Па). В мантии Земли давление постепенно растет, на границе Гутенберга оно достигает 135 ГПа. Во внешнем ядре градиент роста давления увеличивается, а во внутреннем ядре, наоборот, уменьшается. Расчетные величины давления на границе между внутренним и внешним ядрами и вблизи центра Земли составляют соответственно 340 и 360 ГПа.
Температура. Источники тепловой энергии
Протекающие на поверхности и в недрах планеты геологические процессы в первую очередь обусловлены тепловой энергией. Источники энергии подразделяются на две группы: эндогенные (или внутренние источники), связанные с генерацией тепла в недрах планеты, и экзогенные (или внешние по отношению к планете). Интенсивность поступления тепловой энергии из недр к поверхности отражается в величине геотермического градиента. Геотермический градиент – приращение температуры с глубиной, выраженной в 0 С/км. «Обратной» характеристикой является геотермическая ступень – глубина в метрах, при погружении на которую температура повысится на 1 0 С. Средняя величина геотермического градиента в верхней части коры составляет 30 0 С/км и колеблется от 200 0 С/км в областях современного активного магматизма до 5 0 С/км в областях со спокойным тектоническим режимом. С глубиной величина геотермического градиента существенно уменьшается, составляя в литосфере, в среднем около 10 0 С/км, а в мантии – менее 1 0 С/км. Причина этого кроется в распределении источников тепловой энергии и характере теплопереноса.
Источниками эндогенной энергии
являются следующие.
1. Энергия глубинной гравитационной дифференциации
, т.е. выделение тепла при перераспределении вещества по плотности при его химических и фазовых превращениях. Основным фактором таких превращений служит давление. В качестве главного уровня выделения этой энергии рассматривается граница ядро – мантия.
2. Радиогенное тепло
, возникающее при распаде радиоактивных изотопов. Согласно некоторым расчётам, этот источник определяет около 25% теплового потока, излучаемого Землёй. Однако необходимо принимать во внимание, что повышенные содержания главных долгоживущих радиоактивных изотопов – урана, тория и калия отмечаются только в верхней части континентальной коры (зона изотопного обогащения). Например, концентрация урана в гранитах достигает 3,5 10 –4 %, в осадочных породах – 3,2 10 –4 %, в то время как в океанической коре она ничтожно мала: около 1,66 10 –7 %. Таким образом, радиогенное тепло является дополнительным источником тепла в верхней части континентальной коры, что и определяет высокую величину геотермического градиента в этой области планеты.
3. Остаточное тепло
, сохранившееся в недрах со времени формирования планеты.
4. Твёрдые приливы
, обусловленные притяжение Луны. Переход кинетической приливной энергии в тепло происходит вследствие внутреннего трения в толщах горных пород. Доля этого источника в общем тепловом балансе невелика – около 1-2 %.
В литосфере преобладает кондуктивный (молекулярный) механизм теплопереноса, в подлитосферной мантии Земли происходит переход к преимущественно конвективному механизму теплопереноса.
Расчёты температур в недрах планеты дают следующие значения: в литосфере на глубине около 100 км температура составляет около 1300 0 С, на глубине 410 км – 1500 0 С, на глубине 670 км – 1800 0С, на границе ядра и мантии – 2500 0 С, на глубине 5150 км – 3300 0 С, в центе Земли – 3400 0 С. При этом в расчёт принимался только главный (и наиболее вероятный для глубинных зон) источник тепла – энергия глубинной гравитационной дифференциации.
Эндогенное тепло определяет протекание глобальных геоднинамических процессов. в том числе перемещение литосферных плит
На поверхности планеты важнейшую роль имеет экзогенный источник тепла – солнечное излучение. Ниже поверхности влияние солнечного тепла резко снижается. Уже на небольшой глубине (до 20-30 м) располагается пояс постоянных температур – область глубин, где температура остаётся постоянной и равна среднегодовой температуре района. Ниже пояса постоянных температур тепло связано с эндогенными источниками.
Магнетизм Земли
Земля представляет собой гигантский магнит с магнитным силовым полем и магнитными полюсами, которые располагаются поблизости от географических, но не совпадают с ними. Поэтому в показаниях магнитной стрелки компаса различают магнитное склонение и магнитное наклонение.
Магнитное склонение – это угол между направлением магнитной стрелки компаса и географическим меридианом в данной точке. Этот угол будет наибольшим на полюсах (до 90 0) и наименьшим на экваторе (7-8 0).
Магнитное наклонение – угол, образуемый наклоном магнитной стрелки к горизонту. В приближении к магнитному полюсу стрелка компаса займёт вертикальное положение.
Предполагается, что возникновение магнитного поля обусловлено системами электрических токов, возникающих при вращении Земли, в связи с конвективными движениями в жидком внешнем ядре. Суммарное магнитное поле складывается из значений главного поля Земли и поля, обусловленного ферромагнитными минералами в горных породах земной коры. Магнитные свойства характерны для минералов – ферромагнетиков, таких как магнетит (FeFe 2 O 4), гематит (Fe 2 O 3), ильменит (FeTiO 2), пирротин (Fe 1-2 S) и др., которые являются полезными ископаемыми и устанавливаются по магнитным аномалиям. Для этих минералов характерно явление остаточной намагниченности, которая наследует ориентировку магнитного поля Земли, существовавшего во время образования этих минералов. Реконструкция места положения магнитных полюсов Земли в разные геологические эпохи свидетельствует о том, что магнитное поле периодически испытывало инверсию - изменение, при котором магнитные полюсы менялись местами. Процесс изменения магнтиного знака геомагнитного поля длится от нескольких сотен до несмкольких тысяч лет и начинается с интенсивного понижения напряженности главного магнитного поля Земли практически до нуля, затем устанавливается обратная полярность и через некоторое время следует быстрое восстановление напряженности, но уже противоположного знака. Северный полюс занимал место южного и, наоборот, с примерной частотой 5 раз в 1 млн. лет. Современная ориентация магнитного поля установилась около 800 тыс. лет назад.
Постепенно менялись, или эволюционировали. Древнейшие породы дают геологам (специалистам, изучающим структуру земных недр и их формирование) ценнейшую информацию об изменениях поверхности и строения Земли.
Установлено, что масса Земли равна 5,98*10 27 г, объем - 1,083*10 27 см 3 , средний радиус - 6371 км, средняя плотность - 5,52 г/см 3 , среднее ускорение силы тяжести на земной поверхности достигает 981 Гал. Среднее расстояние от Солнца составляет приблизительно 150 млн. км. Скорость движения Земли по орбите равна 29,77 км/с. Полный оборот Земля совершает за 365,26 сут. Период вращения Земли вокруг своей оси равен 23 ч 56 мин. В результате этого вращения возникли небольшое экваториальное вздутие и полярное сжатие. Поэтому диаметр Земли в экваториальном сечении на 21,38 км длиннее диаметра, соединяющего полюса вращения (полярный радиус равен 6356,78 км, а экваториальный - 6378,16 км).
Фигура Земли описывается геоидом, который вне континентов совпадает с невозмущенной поверхностью .
Земля обладает собственным магнитным полем, которое идентично полю, создаваемому магнитным диполем.
Геофизическими исследованиями установлено, что Земля состоит из ядра, мантии и земной коры.
Земное ядро состоит из двух слоев - внешнего (жидкого) ядра и внутреннего (твердого). Радиус внутреннего твердого ядра (слой «О») примерно равен 1200-1250 км, толщина переходного слоя «Р» между внутренним и внешним ядрами приблизительно равна 140-150 км, а толщина внешнего жидкого ядра, которое начинается с глубины 2870-2920 км, равна примерно 3000 км. Плотность вещества во внешнем ядре монотонно меняется от 9,5-10,1 г/см 3 на его поверхности до 11,4-12,3 г/см 3 на подошве.
Во внутреннем ядре плотность вещества возрастает и в его центре достигает 13-14 г/см 3 . Масса земного ядра составляет 32% всей массы Земли, а его объем - около 16% объема всей Земли. Земное ядро примерно на 90% состоит из железа с добавками кислорода, серы, углерода, и, возможно, кремнезема; внутреннее - из железо-никелевого сплава метеоритного состава.
Мантия - силикатная оболочка Земли, расположенная между подошвой земной коры и поверхностью ядра и составляющая 67,8% общей массы Земли.
По сейсмическим данным мантию делят на верхнюю (слой «В» до глубины 400 км), переходной слой Голицына (слой «С» от глубины 400 до 1000 км) и нижнюю (слой «Б» с подошвой примерно на глубине 2900 км). Под океанами в верхней мантии выделяют также слой с пониженной скоростью распространения сейсмических волн - волновод Гутенберга, обычно отождествляемый с астеносферой Земли. Считается, что мантийное вещество в этом слое находится частично в расплавленном состоянии. Под континентами ярко выраженная область пониженных скоростей в мантии, как правило, не прослеживается.
Важную границу раздела в верхней мантии представляет собой подошва литосферы - поверхность перехода от охлажденных пород литосферы к частично расплавленному мантийному веществу, перешедшему в пластическое состояние и составляющему астеносферу.
Существующее мнение о составе мантии основано на скоростях прохождения сейсмических волн, сходных с прохождением упругих волн в основных и ультраосновных породах, которые распространены в определенных областях земной коры. Предполагается, что эти породы в приповерхностные слои Земли попали из мантии.
Представления о химическом составе глубоких недр Земли основаны на сравнительном анализе метеоритов и сжимаемости силикатов, металлов и их оксидов при высоких температурах и давлениях. Согласно этим данным, мантия имеет ультраосновной состав и ее слагает гипотетическая порода - пиролит, представляющая собой смесь перидотита (75%), толеитового базальта или лерцолита (25%). Содержание радиоактивных в мантии довольно низкое - около 10 -8 % U, 10 -7 % Th и 10 -6 % К.
Земная кора отличается от нижележащих оболочек своим строением и химическим составом. Подошва земной коры очерчивается сейсмической границей Мохоровичича, на которой скорости распространения сейсмических волн резко возрастают и достигают 8-8,2 км/с.
Поверхность и примерно 25-километровая часть земной коры формируются под воздействием: 1) эндогенных процессов (тектонические или механические и магматические процессы), благодаря которым создается рельеф земной поверхности и формируются толщи магматических и метаморфических горных пород; 2) экзогенных процессов, вызывающих денудацию (разрушение) и выравнивание рельефа, выветривание и перенос обломков горных пород и переотложение их в пониженных частях рельефа. В результате протекания весьма разнообразных экзогенных процессов формируются осадочные горные породы, составляющие самый верхний слой земной коры.
Выделяют два основных типа земной коры: океанский (базальтовый) и континентальный (гранито-гнейсовый) с прерывистым осадочным слоем. Океанская кора по своему составу примитивна и представляет верхний слой дифференцированной мантии, сверху перекрытый тонким слоем пелагических осадков. В составе океанской коры выделяют три слоя.
Самый верхний слой - осадочный - представлен карбонатными осадками, отложившимися на небольших глубинах до уровня карбонатной компенсации (4-5,5 км). На больших глубинах отлагаются бескарбонатные глубоководные красные глины. Средняя мощность океанских осадков не превышает 500 м и только у подножия материковых склонов, особенно в районах крупных речных дельт, она возрастает до 12-15 км. Вызвано это своеобразной быстротечной «лавинной» седиментацией, когда практически весь терригенный материал, выносимый речными системами с континента, отлагается в прибрежных частях океанов, на материковом склоне и у его подножия.
Второй слой океанской коры в верхней части слагается подушечными лавами базальтов. Ниже располагаются долеритовые дайки того же состава. Общая мощность второго слоя океанской коры составляет 1,5 км и редко достигает 2 км. Под дайковым комплексом располагаются габбро, представляющие собой верхнюю часть третьего слоя, нижняя часть которого прослеживается на некотором удалении от осевой части срединно-океанских хребтов и слагается серпентинитами. Мощность габбро-серпентинитового слоя достигает 5 км. Таким образом, общая мощность океанской коры без осадочного чехла составляет 6,5-7 км. Под осевой частью срединно-океанских хребтов мощность океанской коры сокращается до 3-4, а иногда и до 2-2,5 км.
Под гребнями срединно-океанских хребтов океанская кора залегает над очагами базальтовых расплавов, выделившихся из вещества астеносферы. Средняя плотность океанской коры без осадочного слоя составляет 2,9 г/см 3 . Исходя из этого общая масса океанской коры составляет 6,*1024 г. Океанская кора формируется в рифтовых областях срединно-океанских хребтов за счет поступления базальтовых расплавов из астеносферного слоя Земли и излияния толеитовых базальтов на океанское дно. Согласно сделанным расчетам, ежегодно из астеносферы поднимается и изливается на океанском дне не менее 12 км 3 базальтовых расплавов, благодаря которым формируется весь второй слой и часть третьего слоя океанской коры.
Континентальная кора резко отличается от океанской. Ее мощность меняется от 20-25 км под островными дугами до 80 км под молодыми складчатыми поясами Земли: Альпийско-Гималайским и Андийским.
В континентальной коре выделяют три слоя: верхний - осадочный и два нижних, сложенных кристаллическими породами. Мощность верхнего осадочного слоя меняется в широких пределах: от практического отсутствия на древних щитах до 10-15 км на шельфах пассивных окраин континентов и в краевых прогибах платформ. Средняя мощность осадков на стабильных платформах составляет около 3 км.
Под осадочным слоем находятся толщи с преобладанием в них пород гранитоидного ряда. Местами в областях расположения древних щитов они выходят на земную поверхность (Канадский, Балтийский, Алданский, Бразильский, Африканский и др.). Породы «гранитного» слоя обычно преобразованы процессами регионального метаморфизма.
Под «гранитным» слоем располагается «базальтовый» слой, сходный по составу с породами океанской коры. Как континентальная, так и океанская кора подстилаются породами верхней мантии, от которой они отделяются границей Мохоровичича.
Земная кора состоит из силикатов и алюмосиликатов. В ней преобладают кислород (43,13%), кремний (26%) и алюминий (7,45%), представленные главным образом в форме оксидов, силикатов и алюмосиликатов.
Неравномерный характер строения верхних частей Земли охватывает не только собственно ее кору, но и верхнюю мантию и, возможно, простирается до глубин 700 км. В связи с этим следует подчеркнуть, что любая теория происхождения Земли должна объяснить указанный выше асимметричный характер верхних частой твердого тела Земли. Неравномерный характер строения и, вероятно, состава верхних горизонтов земного шара (до глубин 400-500 км) не мог возникнуть в предполагаемую в прошлом эпоху всеобщего расплавленного состояния Земли. В этом случае при любом способе дифференциации мы бы встречали однородные по составу и мощности оболочки. В действительности наблюдается определенная неоднородность.
Литосферой называют каменную оболочку Земли, все компоненты которой находятся в твердом кристаллическом состоянии. Она включает земную кору, подкоровую верхнюю мантию и подстилается астеносферой. В последней вещество находится в пластичном состоянии и вследствие высоких температур частично расплавлено. Ее вещество в отличие от литосферы не обладает пределом прочности и может деформироваться под действием даже очень малых избыточных давлений.
Предполагают, что литосферные плиты образуются за счет остывания и полной кристаллизации частично расплавленного вещества астеносферы. Нижняя граница литосферы совпадает с изотермой постоянной температуры, соответствующей началу плавления перидотита и равной приблизительно 1300°С. Переменная мощность литосферы объясняется вариацией геотермического режима литосферы и мантии в различных участках земного шара.
В связи с пластичностью астеносфера слабо сопротивляется сдвиговым напряжениям и допускает движения литосферных плит относительно нижней мантии. Подошва астеносферы находится на глубине 640 км и совпадает с местоположением очагов глубокофокусных землетрясений.
В океанах толщина литосферы варьирует от нескольких километров под рифтовыми долинами срединно-океанских хребтов до 100 км на периферии океанов. Под древними щитами толщина литосферы достигает 300 - 350 км. Наиболее резкие изменения в толщине литосферы наблюдаются вблизи осевой части срединно-океанских хребтов и у границ континент - океан, где соприкасается континентальная и океанская кора литосферы.
В земных недрах
В недрах Земли – несколько типов горных пород. Метод, с помощью которого ученые их исследуют, напоминает изучение ударных волн во время землетрясений. Внутреннее ядро Земли – твердое. Оно состоит из и никеля. Его достигает 5000 градусов Цельсия. Внешнее ядро состоит из расплавленных . При вращении Земли это ядро очень медленно вращается вместе с ней, создавая особое магнитное поле. Мантия – это слой земных пород, расположенный между ядром и корой. В некоторых зонах мантия имеет столь высокую температуру, что твердые породы, составляющие её, начинают плавиться, образуя так называемую магму .
Континентальные плиты
Земная кора состоит из нескольких огромных частей, или плит, очень медленно движущихся относительно друг друга. Если они расходятся, на поверхность выходит магма и, остывая, образует новые породы. Когда они сжимаются, то либо сталкиваются, либо наползают друг на друга. Плиты могут двигаться и одна по другой.
Движение континентов
Взглянув на карту Земли, вы можете заметить, что очертания континентов совпадают друг с другом, словно фрагменты составной шарады-загадки. Некоторые ученные полагают, что все континенты некогда (около 200 миллионов лет назад) представляли собой единое целое, образуя единый суперконтинент – Пангею . Считается, что затем материковые плиты начали расползаться, это и привело к появлению материков (см. статью « «). Свидетельство существования Пангеи являются ископаемые окаменелости – остатки древнейших растений и животных, дошедших до нас в горных породах (см. статью « «). Окаменелости одних и тех же животных были найдены на разных континентах, удаленных друг от друга на многие тысячи километров. Например, окаменелые останки листозавра, древней растительноядной рептилии, были обнаружены в Южной Африке, Азии и . Это доказывает, что все континенты представляли собой в древности единое целое. Некоторые ученые не признают существование Пангеи. Они утверждают, что животные могли перебираться с материка на материк по узким полоскам суши, некогда соединявшим континенты. Другие полагают, что эти животные могли попасть на стволах гигантских древних деревьев.
Поиски окаменелостей
Окаменелости часто встречаются в таких породах, как известняки и сланцы. Их можно также найти на разрезах горных пород, обнаженных при строительстве дорог. Начиная раскопки, всегда заручитесь разрешением на их проведение. Окаменелости можно отыскать в грудах камней у подножия гор. Разная окраска и типы горных пород указывает на то, что здесь можно встретить окаменелости. Чтобы извлечь их из пород, вам потребуется молоток и зубило. Записи о своих находках вы можете заносить в особый журнал.
Строение Земли постоянно меняется. Более 4,6 миллиардов лет тому назад поверхность Земли была покрыта огнедышащими вулканами, из кратеров которых извергались газы, потоки расплавленных пород и водяной пар. После их остывания началось формирование земной коры. Пар конденсировался и выпадал на землю в виде ливневых дождей, которые постепенно заполняли пространство будущих морей.
На протяжении многих миллионов лет Земля прошла через разные этапы своего развития. На дне высохших морей иногда находят окаменелые остатки древних организмов. Первыми на суше появились растения. Позднее из приморских болот и мелководных морей на сушу стали выбираться первые животные. У них развились особые органы – лимбы , позволяющие дышать .
Постоянно меняющаяся планета
Около 65 миллионов лет назад случилось нечто, повлекшее за собой гибель 75% видов животных, обитавших тогда на Земле, в том числе и динозавров. Как свидетельствуют окаменелости, это произошло за сравнительно короткий период. Динозавры жили на Земле примерно 140 миллионов лет назад. Существует немало теорий, объясняющих причины их вымирание. Может быть болота и озера, в которых жило большинство динозавров, начали активно высыхать. Возможно, эти древние гиганты не сумели приспособиться к изменениям температуры на Земле. Или основная масса растений, которыми питались растительноядные динозавры, погибла в результате изменений , что повлекло за собой вымирание сначала растительноядных, а затем хищных динозавров. Одна из теорий объясняет это вымирание столкновением Земли с громадным астероидом, после чего над поверхностью планеты поднялись огромные плотные тучи пыли, на долгие годы закрывшие солнечный .
