Как часто в поисках ответов на свои вопросы, о том, как устроен мир, мы смотрим вверх на небо, солнце, звезды, заглядываем далеко-далеко за сотни световых лет в поисках новых галактик. А ведь, если посмотреть под ноги, то под ногами существует целый подземный мир из которого состоит наша планета - Земля!
Недра Земли это тот самый загадочный мир под ногами, подземный организм нашей Земли, на которой мы живем, строим дома, прокладываем дороги, мосты и многие тысячи лет осваиваем территории родной планеты.
Этот мир - тайные глубины недр Земли!
Строение Земли
Наша планета относится к планетам земной группы, и так же, как и другие планеты, состоит из слоёв. Поверхность Земли состоит из твердой оболочки земной коры, глубже находится крайне вязкая мантия, а в центре расположено металлическое ядро, которое состоит из двух частей, внешняя - жидкая, внутренняя - твердая.
Интересно, многие объекты Вселенной настолько хорошо изучены, что о них знает каждый школьник, в космос на далекие сотни тысяч километров отправляются космические аппараты, но в самые глубинные недра нашей планеты по прежнему забраться остается непосильной задачей, поэтому то что находится под поверхностью Земли по прежнему остается большой загадкой.
Внутреннее
строение Земли
Недавно американский геофизик М. Херндон высказал гипотезу о том, что в центре Земли находится естественный «ядерный реактор» из урана и плутония (или тория) диаметром всего 8 км. Эта гипотеза способна объяснить инверсию земного магнитного поля, происходящую каждые 200 000 лет. Если это предположение подтвердится, то жизнь на Земле может завершиться на 2 млрд. лет ранее, чем предполагалось, так как и уран, и плутоний сгорают очень быстро. Их истощение приведет к исчезновению магнитного поля, защищающего 3емлю от коротковолнового солнечного излучения и, как следствие, к исчезновению всех форм биологической жизни. Эту теорию прокомментировал член-корреспондент РАН В.П. Трубицын: «И уран, и торий - очень тяжелые элементы, которые в процессе дифференциации первичного вещества планеты могут опуститься к центру Земли. Но на атомном уровне они увлекаются с легкими злементами, которые выносятся в земную кору, поэтому все урановые месторождения и находятся в самом верхнем слое коры. То есть если бы и эти элементы были сосредоточены в виде скоплений, они могли бы опуститься в ядро, но, по сложившимся представлениям, их должно быть небольшое количество. Таким образом, для того чтобы делать заявления об урановом ядре Земли, необходимо дать более обоснованную оценку количества урана, ушедшего в железное ядро. Следует также Строение Земли
Осенью 2002 года профессор Гарвардского университета А. Дзевонски и его студент М. Исии на основании анализа данных от более чем 300 000 сейсмических явлений, собранных за 30 лет, предложили новую модель, согласно которой в пределах внутреннего ядра лежит так называемое «самое внутреннее» ядро, имеющее около 600 км в поперечнике: Его наличие может быть доказательством существования двух этапов развития внутреннего ядра. Для подтверждения подобной гипотезы необходимо разместить по всему земному шару еще большее число сейсмографов, чтобы nровести более детальное выделение анизотропии (зависимость физических свойств вещества от направления внутри него), которая характеризует самый центр Земли.
Индивидуальное лицо планеты, подобно облику живого существа, во многом определяется внутренними факторами, возникающими в ее глубоких недрах. Изучать эти недра очень трудно, так как материалы, из которых состоит Земля, непрозрачны и плотны, поэтому объем прямых данных о веществе глубинных зон весьма ограничен. К их числу относятся: так называемый минеральный агрегат (крупные составные части породы) из природной сверхглубокой скважины - кимберлитовой трубки в Лecoтo (Южная Африка), который рассматривается как представитель пород, залегающих на глубине порядка 250 км, а также керн (цилиндрическая колонка горной породы), поднятый из глубочайшей в мире скважины (12 262 м) на Кольском полуострове. Исследование сверхглубин планеты этим не ограничивается. В 70-е годы ХХ века научное континентальное бурение производилось на на территории Азербайджана - Сааблинская скважина (8 324 м). А в Баварии в начале 90-х годов прошлого века была заложена сверхглубокая скважина КТБ-Оберпфальц размером более 9 000 м.
Существует много остроумных и интересных методов изучения нашей планеты, но основная информация о ее внутреннем строении получена в результате исследований сейсмических волн, возникающих при землетрясениях и мощных взрывах. Каждый час в различных точках Земли регистрируется около 10 колебаний земной поверхности. При этом возникают сейсмические волны двух типов: продольные и поперечные. В твердом веществе могут распространиться оба типа волн, а вот в жидкостях - только продольные. Смещения земной поверхности регистрируются сейсмографами, установленными по всему земному шару. Наблюдения скорости, с которой волны проходят сквозь 3емлю, позволяют геофизикам определить плотность и твёрдость пород на глубинах, недоступных прямым исследованиям. Сопоставление плотностей, известных по сейсмическим данным и полученным в ходе лабораторных экспериментов с горными породами (где моделируются температура и давление, соответствующие определенной глубине 3емли), позволяет сделать вывод о вещественном составе земных недр. Новейшие данные геофизики и эксперименты, связанные с исследованием структурных превращений минералов, позволили смоделировать многие особенности строения, состава и процессов, происходящих в глубинах Земли.
Еще в XVII веке удивительное совпадение очертаний береговых линий западного побережья Африки и восточного побережья Южной Америки наводило некоторых ученых на мысль о том, что континенты «гуляют» по планете. Но только три века спустя, в 1912 году, немецкий метеоролог Альфред Лотар Вегенер подробно изложил свою гипотезу континентального дрейфа, согласно которой относительное положение континентов менялось на протяжении истории 3емли. Одновременно он выдвинул множество аргументов в пользу того, что в далеком прошлом континенты были собраны вместе. Помимо сходства береговых линий им были обнаружены соответствие геологических структур, непрерывность реликтовых горных хребтов и тождественность ископаемых остатков на разных континентах. Профессор Вегенер активно отстаивал идею о существовании в прошлом единого суперконтинента Пангея, его расколе и последующем дрейфе образовавшихся континентов в разные стороны. Но эта необычная теории не была воспринята всерьез, потому что с точки зрения того времени казалось совершенно непостижимым, чтобы гигантские континенты могли самостоятельно перемещаться по планете. К тому же сам Вегенер не смог предоставить подходящий «механизм», способный двигать континенты.
Возрождение идей этого ученого произошло в результате исследований дна океанов. Дело в том, что наружный рельеф континентальной коры хорошо известен, а вот океанское дно, в течение многих веков надежно укрытое многокилометровой толщей воды, оставалось недоступным для изучения и служило неисчерпаемым источником всевозможных легенд и мифов. Важным шагом вперёд в изучении его рельефа явилось изобретение прецизионного эхолота, с помощью которого стало возможным непрерывно измерять и регистрировать глубину дна по линии движения судна. Одним из поразительных результатов интенсивного исследования дна океанов стали новые данные о его топографии. Сегодня топографию океанского дна легче картировать благодаря спутникам, очень точно измеряющим «высоту» морской поверхности: ее в точности отображают различия уровня моря от места к месту. Вместо плоского, лишенного каких-либо особых примет, прикрытого илом дна обнаружились глубокие рвы и крутые обрывы, гигантские горные хребты и крупнейшие вулканы. Особенно явственно выделяется па картах Срединно-Атлантический горный хребет, рассекающий Атлантический океан точно посередине.
Оказалось, что дно океана стареет по мере удаления от срединно-океанического хребта, «расползаясь» от его центральной зоны со скоростью несколько сантиметров в год. Действием этого процесса можно объяснить сходство очертаний континентальных окраин, если предполагать, что между частями расколовшегося континента образуется новый океанический хребет, а океаническое дно, наращиваемое симметрично с обеих сторон, формирует новый океан. Атлантический океан, посреди которого лежит Срединно-Атлантический хребет, вероятно, возник именно таким образом. Но если площадь морского дна увеличивается, а Земля не расширяется, то что-то в глобальной коре должно разрушаться, чтобы скомпенсировать этот процесс. Именно это и происходит на окраинах большей части Тихого океана. 3десь литосферные плиты сближаются, и одна из сталкивающихся плит погружается под другую и уходит глубоко внутрь Земли. Такие участки столкновения отмечаются активными вулканами, которые протянулись вдоль берегов Тихого океана, образуя так называемое «огненное кольцо».
Непосредственное
бурение морского дна и определение возраста поднятых пород подтвердили
результаты палеомагнитных исследований. Эти факты легли в основу теории новой
глобальной тектоники, или тектоники литосферных плит, которая произвела
настоящую революцию в науках о 3емле и принесла новое представление о внешних
оболочках планеты. Главной идеей этой теории являются горизонтальные движения
плит.
Как
рождалась земля
Согласно
современным космологическим представлениям 3емля образовалась вместе с другими
планетами около 4,5 млрд. лет назад из кусков и обломков, вращавшихся вокруг
молодого Солнца. Она разрасталась, захватывая вещество, находившееся вокруг,
пока не достигла своего нынешнего размера. Вначале процесс разрастания
происходил очень бурно, и непрерывный дождь падающих тел должен был привести к
ее значительному нагреванию, так как кинетическая энергия частиц превращалась в
тепло. При ударах возникали кратеры, причем выбрасываемое из них вещество уже
не могло преодолеть силу земного притяжения и падало обратно, и чем крупнее
были падающие тела, тем сильнее разогревали они Землю. Энергия падающих тел
освобождалась уже не на поверхности, а в глубине планеты, не успевая излучиться
в пространство. Хотя первоначальная смесь веществ могла быть однородной в
большом масштабе, разогрев земной массы вследствие гравитационного сжатия и
бомбардировки ее обломками привел к расплавлению смеси и возникшие жидкости под
действием тяготения отделялись от оставшихся твердых частей. Постепенное
перераспределение вещества по глубине в соответствии с плотностью должно было привести
к его расслоению на отдельные оболочки. Более легкие вещества, богатые
кремнием, отделялись от более плотных, содержащих железо и никель, и
образовывали первую земную кору. Спустя примерно миллиард лет, когда 3емля
существенно охладилась, земная кора затвердела, превратившись в прочную внешнюю
оболочку планеты. Остывая, 3емля выбрасывала из своего ядра множество различных
газов (обычно это происходило при извержении вулканов) - легкие, такие как
водород и гелий, большей частью улетучивались в космическое пространство, но
так как сила притяжения 3емли была уже достаточно велика, то удерживала у своей
поверхности более тяжелые. Они как раз и составили основу земной атмосферы.
Часть водяных паров из атмосферы сконденсировалась, и на 3емле возникли океаны.
Что
сейчас?
Земля - не
самая большая, но и не самая маленькая планета среди своих соседей.
Экваториальный радиус ее, равный 6378 км, из-за центробежной силы, создаваемой
суточным вращением, больше полярного на 21 км. Давление в центре Земли
составляет 3 млн. атм., а плотность вещества - около 12 г/см3. Масса нашей
планеты, найденная путем экспериментальных измерений физической постоянной
тяготения и ускорения силы тяжести на экваторе, составляет 6*1024 кг, что
соответствует средней плотности вещества 5,5 г/см3. Плотность минералов на
поверхности приблизительно вдвое меньше средней плотности, а значит, плотность
вещества в центральных областях планеты должна быть выше среднего значения.
Момент инерции Земли, зависящий от распределения плотности вещества вдоль
радиуса, также свидетельствует о значительном увеличении плотности вещества от
поверхности к центру. Из недр Земли постоянно выделяется тепловой поток, а так
как тепло может передаваться только от горячего к холодному, то температура в
глубине планеты должна быть выше, чем на ее поверхности. Глубокое бурение
показало, что температура с глубиной увеличивается примерно на 20°С на каждом
километре и меняется от места к месту. Если бы увеличение температуры
продолжалось непрерывно, то в самом центре Земли она достигла бы десятков тысяч
градусов, однако геофизические исследования показывают, что в действительности
температура здесь должна составлять несколько тысяч градусов.
Толщина Земной коры (внешней оболочки) изменяется от нескольких километров (в океанических областях) до нескольких десятков километров (в горных районах материков). Сфера земной коры очень небольшая, на ее долю приходится всего около 0,5% общей массы планеты. Основной состав коры - это окислы кремния, алюминия, железа и щелочных металлов. В составе континентальной коры, содержащей под осадочным слоем верхний (гранитный) и нижний (базальтовый), встречаются наиболее древние породы Земли, возраст которых оценивается более чем в 3 млрд. лет. Океаническая же кора под осадочным слоем содержит в основном один слой, близкий по составу к базальтовым. Возраст осадочного чехла не превышает 100-150 миллионов лет.
От низлежащей мантии земную кору отделяет во вмогом еще загадочный Слой Мохо (назван так в честь сербского сейсмолога Мохоровичича, открывшего его в 1909 году), в котором скорость распространения сейсмических волн скачкообразно увеличивается.
На долю Мантии приходится около 67% общей массы планеты. Твердый слой верхней мантии, распространяющийся до различных глубин под океанами и континентами, совместно с земной корой называют литосферой - самой жесткой оболочкой Земли. Под ней отмечен слой, где наблюдается некоторое уменьшение скорости распространения сейсмических волн, что говорит о своеобразном состоянии вещества. Этот слой, менее вязкий и более пластичный по отношению к выше и ниже лежащим слоям, называют астеносферой. Считается, что вещество мантии находится в непрерывном движении, и высказывается предположение, что в относительно глубоких слоях мантии с ростом температуры и давления происходит переход вещества в более плотные модификации. Такой переход подтверждается и экспериментальными исследованиями.
В нижней мантии на глубине 2900 км отмечается резкий скачок не только в скорости продольных волн, но и в плотности, а поперечные волны сдесь исчезают совсем, что указывает на смену вещественного состава пород. Это внешняя граница ядра Земли.
Земное ядро открыто в 1936 году. Получить его изображение было чрезвычайно трудно из-за малого числа сейсмических волн, достигавших его и возвращавшихся к поверхности. Кроме того, экстремальные температуры и давления ядра долгое время трудно было воспроизвести в лаборатории. Земное ядро разделяется на 2 отдельные области: жидкую (ВНЕШНЕЕ ЯДРО) и твердую (BHУTPEHHE), переход между ними лежит на глубине 5156 км. Железо - элемент, который соответствует сейсмическим свойствам ядра и обильно распространен во Вселенной, чтобы представить в ядре планеты приблизительно 35% ее массы. По современным данным, внешнее ядро представляет собой вращающиеся потоки расплавленного железа и никеля, хорошо проводящие электричество. Именно с ним связывают происхождение земного магнитного поля, считая, что, электрические токи, текущие в жидком ядре, создают глобальное магнитное поле. Слой мантии, находящийся в соприкосновении с внешним ядром, испытывает его влияние, поскольку температуры в ядре выше, чем в мантии. Местами этот слой порождает огромные, направленные к поверхности Земли тепломассопотоки - плюмы.
ВНУТРЕННЕЕ ТВЕРДОЕ ЯДРО не связано с мантией. Полагают, что его твердое состояние, несмотря на высокую температуру, обеспечивается гигантским давлением в центре Земли. Высказываются предположения о том, что в ядре помимо железоникелевых сплавов должны присутствовать и более легкие элементы, такие как кремний и сера, а возможно, кремний и кислород. Вопрос о состоянии ядра 3емли до сих пор остается дискуссионным. По мере удаления от поверхности увеличивается сжатие, которому подвергается вещество. Расчеты показывают, что в земном ядре давление может достигать 3 млн. атм. При зтом многие вещества как бы металлизируются - переходят в металлическое состояние. Существовала даже гипотеза, что ядро Земли состоит из металлического водорода.
Чтобы понять каким образом геологи создали модель строения Земли, надо знать основные свойства и их параметры, характеризующие все части Земли. К таким свойствам (или характеристикам) относятся:
1. Физические - плотность, упругие магнитные свойства, давление и температура.
2. Химические - химический состав и химические соединения, распределение химических элементов в Земле.
Исходя из этого, определяется выбор методов исследования состава и строения Земли. Кратко рассмотрим их.
Прежде всего, отметим, что все методы разделяются на:
· прямые - опираются на непосредственное изучение минералов и горных пород и их размещении в толщах Земли;
· косвенные - основаны на изучении физических и химических параметров минералов, пород и толщ с помощью приборов.
Прямыми методами мы можем изучить лишь верхнюю часть Земли, т.к. самая глубокая скважина (Кольская) достигла~12 км. О более глубоких частях можно судить по вулканическим извержениям.
Глубинное внутреннее строение Земли изучается косвенными методами, в основном комплексом геофизических методов. Рассмотрим основные из них.
1.Сейсмический метод (греч. сейсмос - трясение) - опирается на явление возникновения и распространения упругих колебаний (или сейсмических волн) в различных средах. Упругие колебания возникают в Земле при землетрясениях, падениях метеоритов или взрывах и начинают распространяться с разной скоростью от очага их возникновения (очага землетрясения) до поверхности Земли. Выделяют два типа сейсмических волн:
1-продольные P-волны (самые быстрые), проходят через все среды - твердые и жидкие;
2-поперечные S-волны, более медленные и проходят только через твердые среды.
Сейсмические волны при землетрясениях возникают на глубинах от 10 км до 700 км. Скорость сейсмических волн зависит от упругих свойств и плотности горных пород, которые они пересекают. Достигая поверхности Земли, они как бы просвечивают ее и дают представление о той среде, которую пересекли. Изменение скоростей дает представление о неоднородности и расслоенности Земли. Кроме изменения скоростей, сейсмические волны испытывают преломление, проходя через неоднородные слои или отражение от поверхности, разделяющей слои.
2.Гравиметрический метод основан на изучении ускорения силы тяжести Dg, которое зависит не только от географической широты, но и от плотности вещества Земли. На основании изучения этого параметра установлена неоднородность в распределении плотности в разных частях Земли.
3.Магнитометрический метод - основан на изучении магнитных свойств вещества Земли. Многочисленные измерения показали, что различные горные породы отличаются друг от друга по магнитным свойствам. Это приводит к образованию участков с неоднородными магнитными свойствами, которые позволяют судить о строении Земли.
Сопоставляя все характеристики, ученые создали модель строения Земли, в которой выделяют три главные области (или геосферы):
1-Земная кора, 2-Мантия Земли, 3-Ядро Земли.
Каждая из них в свою очередь разделяется на зоны или слои. Рассмотрим их и основные параметры суммируем в таблице.
1. Земная кора (слой А)- это верхняя оболочка Земли, ее мощность колеблется от 6-7км до 75км.
2.Мантия
Земли
подразделяется на верхнюю (со слоями: В и С) и нижнюю (слой D).
3. Ядро - подразделяется на внешнее (слой Е) и внутреннее (слой G), между которыми располагается переходная зона - слой F.
Границей между земной корой и мантией является раздел Мохоровичича, между мантией и ядром также резкая граница- раздел Гуттенберга.
Из таблицы видно, что скорость продольных и поперечных волн возрастает от поверхности к более глубоким сферам Земли.
Особенностью верхней мантии является наличие зоны, в которой резко падает скорость поперечных волн до 0.2-0.3 км/сек. Это объясняется тем, что наряду с твердым состоянием, мантия частично представлена расплавом. Этот слой пониженных скоростей называют астеносферой . Его мощность 200-300 км, глубина 100-200 км.
На границе мантии и ядра происходит резкое снижение скорости продольных волн и затухание скорости поперечных волн. На основании этого сделано предположение, что внешнее ядро находится в состоянии расплава.
Средние значения плотности по геосферам показывают ее возрастание к ядру.
О химическом составе Земли и ее геосфер дают представление:
1- химический состав земной коры,
2 - химический состав метеоритов.
Химический состав земной коры изучен достаточно детально - известен ее валовый химический состав и роль химических элементов в минерало- и породообразовании. Труднее обстоит дело с изучением химического состава мантии и ядра. Прямыми методами мы этого пока сделать не можем. Поэтому применяют сравнительный подход. Исходным положением является предположение о протопланетном сходстве между составом метеоритов, упавших на землю, и внутренних геосфер Земли.
Все метеориты, попавшие на Землю, по составу делятся на типы:
1-железные, состоят из Ni и 90% Fe;
2-железокаменные (сидеролиты) состоят из Fe и силикатов,
3-каменные, состоящие из Fe-Mg силикатов и включений никелистого железа.
На основании анализа метеоритов, экспериментальных исследований и теоретических расчетов ученые предполагают (по таблице), что химический состав ядра - это никелистое железо. Правда, в последние годы высказывается точка зрения, что кроме Fe-Ni в ядре могут быть примеси S, Si или О. Для мантии химический спектр определяется Fe-Mg силикатами, т.е. своеобразный оливино-пироксеновый пиролит слагает нижнюю мантию, а верхнюю - породы ультраосновного состава.
Химический состав земной коры включает максимальный спектр химических элементов, который выявляется в многообразии минеральных видов, известных к настоящему времени. Количественное соотношение между химическими элементами достаточно велико. Сравнение наиболее распространенных элементов в земной коре и мантии показывает, что ведущую роль играют Si, Al и О 2 .
Таким образом, рассмотрев основные физические и химические характеристики Земли, мы видим, что их значения неодинаковы, распределяются зонально. Тем самым, давая представление о неоднородном строении Земли.
Строение
Земной коры
Рассмотренные нами ранее типы горных пород - магматические, осадочные и метаморфические участвуют в строении земной коры. По своим физико-химическим параметрам все породы земной коры группируются в три крупных слоя. Снизу вверх это: 1-базальтовый, 2-гранито-гнейсовый, 3-осадочный. Эти слои в земной коре размещены неравномерно. Прежде всего, это выражается в колебаниях мощности каждого слоя. Кроме того, не во всех частях наблюдается полный набор слоев. Поэтому более детальное изучение позволило по составу, строению и мощности выделить четыре типа земной коры: 1-континентальный, 2-океанский, 3-субконтинентальный, 4-субокеанский.
1. Континентальный тип - имеет мощность 35-40 км до 55-75 км в горных сооружениях, содержит в своем составе все три слоя. Базальтовый слой состоит из пород типа габбро и метаморфических пород амфиболитовой и гранулитовой фаций. Называется он так потому, что по физическим параметрам он близок базальтам. Гранитный слой по составу - это гнейсы и гранито-гнейсы.
2.Океанский тип - резко отличается от континентального мощностью (5-20 км, средняя 6-7 км) и отсутствием гранито-гнейсового слоя. В его строении участвуют два слоя: первый слой осадочный, маломощный (до 1 км), второй слой - базальтовый. Некоторые ученые выделяют третий слой, который является продолжением второго, т.е. имеет базальтовый состав, но сложен ультраосновными породами мантии, подвергшихся серпентинизации.
3.Субконтинентальный тип - включает все три слоя и этим близок к континентальному. Но отличается меньшей мощностью и составом гранитного слоя (меньше гнейсов и больше вулканических пород кислого состава). Этот тип встречается на границе континентов и океанов с интенсивным проявлением вулканизма.
4. Субокеанский тип - располагается в глубоких прогибах земной коры (внутриконтинентальные моря типа Черного и Средиземного). От океанского типа отличается большей мощностью осадочного слоя до 20-25 км.
Проблема формирования земной коры .
По Виноградову- процесс формирования земной коры происходил по принципу зонной плавки . Суть процесса: вещество Протоземли, близкое к метеоритному, в результате радиоактивного прогрева расплавлялось и более легкая силикатная часть поднималась к поверхности, а Fe-Ni концентрировалась в ядре. Таким образом, происходило формирование геосфер.
Следует отметить, что земная кора и твердая часть верхней мантии объединяются в литосферу , ниже которой располагается астеносфера .
Тектоносфера - это литосфера и часть верхней мантии до глубин 700км (т.е. до глубины самых глубоких очагов землетрясений). Названа так потому, что здесь происходят основные тектонические процессы, определяющие перестройку этой геосферы.
Содержание статьи
ЗЕМЛИ СТРОЕНИЕ. Планета Земля состоит из тонкой твердой оболочки (кора толщиной 10–100 км), окруженной мощной водной гидросферой и плотной атмосферой . Недра Земли разделяются на три основных области: кору, мантию и ядро. Кора Земли представляет собою верхнюю часть твердой оболочки Земли толщиной от одного (под океанами) до нескольких десятков км. (под материками). Она состоит из осадочных слоев и хорошо известных минералов и горных пород. Более глубокие ее слои состоят из различных базальтов. Под корой находится твердый силикатный слой (предположительно из оливина), называемый мантией, толщиной 1–3 тыс. км, он окружает жидкую часть ядра, центральная часть которого диаметром около 2000 км твердая.
Атмосфера.
Земля, как и большинство других планет, окружена газовой оболочкой – атмосферой, которая состоит, в основном, из азота и кислорода. Ни одна другая планета не обладает атмосферой с таким химическим составом, как у Земли. Считается, что он возник в результате длительной химической и биологической эволюции. Атмосфера Земли делится на несколько областей в соответствии с изменением температуры, химического состава, физического состояния и степенью ионизации молекул и атомов воздуха. Плотные, пригодные для дыхания слои земной атмосферы имеют толщину не более 4–5 км. Выше атмосфера очень разрежена: ее плотность уменьшается примерно в три раза на каждые 8 км подъема. При этом температура воздуха сначала в тропосфере уменьшается до 220 К, однако на высоте в несколько десятков километров в стратосфере начинается ее рост до 270 К на высоте около 50 км, где проходит граница со следующим слоем атмосферы – мезосфера (средняя атмосфера). Рост температуры в верхней стратосфере происходит из-за нагревающего действия поглощаемого здесь ультрафиолетового и рентгеновского солнечного излучения, не проникающего в нижние слои атмосферы. В мезосфере температура снова убывает почти до 180 К, после чего выше 180 км в термосфере начинается ее очень сильный рост до значений более 1000 К. На высотах свыше 1000 км термосфера переходит в экзосферу, из которой происходит диссипация атмосферных газов в межпланетное космическое пространство. С повышением температуры связана ионизация атмосферных газов – возникновение электропроводящих слоев, которые в целом принято называть земной ионосферой.
Гидросфера.
Важной особенностью Земли является большое количество воды, постоянно находящейся в разных пропорциях во всех трех агрегатных состояниях – газообразном (водяные пары в атмосфере), жидком (реки, озера, моря, океаны и, в меньшей степени, атмосфера) и твердом (снег и лед, главным образом в ледниках ). Благодаря водному балансу общее количество воды на Земле должно сохраняться. Мировой океан занимает большую часть поверхности Земли (361,1 млн. км 2 или 70,8% площади поверхности Земли), его средняя глубина составляет около 3800 м, наибольшая – 11 022 м (Марианская впадина в Тихом океане), объем воды 1370 млн. км 3 , средняя соленость 35 г/л. Площадь современных ледников около 11% поверхность суши, которая составляет 149,1 млн км 2 (» 29,2%). Суша поднимается над уровнем Мирового океана в среднем на 875 м (наибольшая высота 8848 м – вершина Джомолунгма в Гималаях). Считается, что существование осадочных пород, возраст которых (по данным радиоизотопного анализа) превосходит 3,7 млрд. лет, служит доказательством существования на Земле обширных водоемов уже в ту далекую эпоху, когда, предположительно, появились первые живые организмы.
Мировой океан.
Мировой океан условно делится на четыре океана. Самый крупный и глубокий из них Тихий океан . По площади 178,62 млн. км 2 он занимает половину всей водной поверхности Земли. Средняя его глубина (3980 м) больше средней глубины Мирового океана (3700 м). В его пределах находится и самая глубоководная впадина – Марианская (11 022 м). В Тихом океане сосредоточено более половины объема воды Мирового океана (710,4 из 1341 млн. км 3). Второй по размерам Атлантический океан . Его площадь 91,6 млн. км 2 , средняя глубина 3600 м, наибольшая 8742 м (в районе Пуэрто-Рико), объем 329,7 млн. км 3 . Далее по размерам идет Индийский океан , который занимает площадь 76,2 млн. км 2 , среднюю глубину 3710 м, наибольшую 7729 м (возле Зондских островов), объем воды 282,6 млн. км 3 . Самый маленький и самый холодный Северный Ледовитый океан , с площадью всего 14,8 млн. км 2 . Он занимает 4% Мирового океана), обладает средней глубиной 1220 м (наибольшая 5527 м), объемом воды 18,1 млн. км 3 . Иногда выделяют т.н. Южный океан (условное название южных частей Атлантического, Индийского и Тихого океанов, прилегающих к Антарктическому материку). В составе океанов выделяются моря. Для жизни Земли огромную роль играет постоянно происходящий в ней круговорот воды (влагооборот). Это непрерывный замкнутый процесс перемещения воды в атмосфере, гидросфере и земной коре, состоящий из испарения, переноса водяного пара в атмосфере, конденсации пара, выпадения осадков и стока вод в Мировой океан. В этом едином процессе происходит непрерывный переход воды с земной поверхности в атмосферу и обратно.
Гольфстрим (англ. Gulf Stream) – система теплых течений в северной части Атлантического океана, простирающаяся на 10 тыс. км от берегов полуострова Флорида до островов Шпицбергена и Новой Земли. Скорость от 6–10 км/ч во Флоридском проливе до 3–4 км/ч в районе Б. Ньюфаундлендской банки, температура поверхностных вод соответственно от 24–28 до 10–20° С. Средний расход воды во Флоридском проливе 25 млн. м 3 /с (в 20 раз превышает суммарный расход воды всех рек земного шара). Гольфстрим переходит в Северо-Атлантическое течение (40° з.д.), которое под влиянием западных и юго-западных ветров следует к берегам Скандинавского полуострова, оказывая влияние на климат Европы.
Эльниньо – теплое тихоокеанское экваториальное течение, возникающее раз в несколько лет. За последние 20 лет отмечены пять активных циклов Эльниньо: 1982–1983, 1986–1987, 1991–1993, 1994–1995 и 1997–1998, т.е. в среднем через каждые 3–4 года.
В годы, когда Эльниньо отсутствует, вдоль всего тихоокеанского побережья Южной Америки из-за прибрежного подъема холодных глубинных вод, вызванного поверхностным холодным Перуанским течением, температура поверхности океана колеблется в узких сезонных пределах – от 15° С до 19° С. В период Эльниньо температура поверхности океана в прибрежной зоне повышается на 6–10° С. При Эльниньо в районе экватора это течение прогревается сильнее, чем обычно. Поэтому пассатные ветры ослабевают либо совсем не дуют. Нагретая вода, растекаясь в стороны, идет обратно к американскому берегу. Возникает аномальная зона конвекции, и на Центральную и Южную Америку обрушиваются дожди и ураганы. Глобальное потепление уже в скором будущем может привести к катастрофическим последствиям. Вымирают целые виды животных и растений, которые не успевают приспособиться к изменению климата. Из-за таяния полярных льдов уровень океана может повыситься на целый метр, и островов станет меньше. За столетие потепление может достигнуть 8 градусов.
Аномальные погодные условия на Земном шаре в годы Эльниньо. В тропиках происходит увеличение осадков над районами к востоку от центральной части Тихого океана и уменьшение на севере Австралии, в Индонезии и на Филиппинах. В декабре-феврале осадки больше нормы наблюдаются на побережье Эквадора, на северо-западе Перу, над южной Бразилией, центральной Аргентиной и над экваториальной, восточной частью Африки, а в течении июня-августа – на западе США и над центральной частью Чили.
Появления Эльниньо ответственны также за крупномасштабные аномалии температуры воздуха во всем мире. В эти годы бывают выдающиеся повышения температуры. Более теплые, чем нормальные, условия в декабре-феврале были над юго-восточной Азией, над Приморьем, Японией, Японским морем, над юго-восточной Африкой и Бразилией, на юго-востоке Австралии. Температуры выше нормы также отмечаются в июне-августе на западном побережье Южной Америки и над юго-восточной Бразилией. Более холодные зимы (декабрь-февраль) бывают на юго-западном побережье США.
Ланиньо . Ланиньо – в противоположность Эльниньо, проявляется как понижение поверхностной температуры воды на востоке тропической зоны Тихого океана. Такие явления отмечались в 1984–1985, 1988–1989 и 1995–1996. В этот период непривычно холодная погода устанавливается на востоке Тихого океана. Ветры сдвигают зону теплой воды и «язык» холодных вод растягивается на 5000 км, в районе Эквадора – островов Самоа, именно в том месте, где при Эльниньо должен быть пояс теплых вод. В этот период в Индокитае, Индии и Австралии наблюдаются мощные муссонные дожди. Страны Карибского бассейна и США при этом страдают от засух и смерчей.
Аномальные погодные условия на Земном шаре в годы Ланиньо . В течение периодов Ланиньо осадки усиливаются над западной экваториальной частью Тихого океана, Индонезией и Филиппинами и почти полностью отсутствуют в восточной части океана. Преимущественно осадки выпадают в декабре-феврале на севере Южной Америки и над Южной Африкой, и в июне-августе над юго-восточной Австралией. Более засушливые условия наблюдаются над побережьем Эквадора, на северо-западе Перу и над экваториальной частью восточной Африки в течение декабря-февраля, а также над южной Бразилией и центральной Аргентиной в июне-августе. Во всем мире отмечаются крупномасштабные отклонения от нормы. Наблюдается наибольшее количество областей с аномально прохладными условиями, например, холодные зимы в Японии и в Приморье, над Южной Аляской и западной, центральной Канадой, а также прохладные летние сезоны над юго-восточной Африкой, над Индией и юго-восточной Азией. Более теплые зимы наступают на юго-западе США.
Ланиньо, как и Эльниньо, чаще всего возникают с декабря по март. Различие в том, что Эльниньо возникает в среднем один раз в три-четыре года, а Ланиньо – раз в шесть-семь лет. Оба явления несут с собой повышенное количество ураганов, но во время Ланиньо их бывает в три-четыре раза больше, чем при Эльниньо.
Согласно последним наблюдениям, достоверность наступления Эльниньо или Ланиньо, можно определить, если:
1. В районе экватора, в восточной части Тихого океана, образуется пятно более теплой воды, чем обычно, в случае Эльниньо и более холодной – в случае Ланиньо.
2. Если атмосферное давление в порте Дарвин (Австралия) имеет тенденцию к понижению, а на острове Таити – к повышению, то ожидается Эльниньо. В противном случае будет Ланиньо.
Эльниньо и Ланиньо – наиболее ярко выраженные проявления глобальной годичной изменчивости климата. Они представляют собой крупномасштабные изменения температур океана , осадков, атмосферной циркуляции, вертикальных движений воздуха над тропической частью Тихого океана.
Ледники.
Мантия.
Между корой и ядром Земли, расположена силикатная (в основном оливин) оболочка, или мантия Земли, в которой вещество находится в особом пластическом, аморфном состоянии, близком к расплавленному (верхняя мантия толщиной ок. 700 км). Внутренняя мантия толщиной около 2000 км находится в твердом кристаллическом состоянии. Мантия занимает около 83% объема всей Земли и составляет до 67% ее массы. Верхняя граница мантии проходит по границе поверхности Мохоровичича на различных глубинах – от 5–10 до 70 км, а нижняя – на границе с ядром на глубине около 2900 км.
Ядро.
По мере приближения к центру плотность вещества увеличивается, повышается температура. Центральная часть земного шара примерно до половины радиуса представляет собой плотное железоникелевое ядро с температурой в 4–5 тыс. кельвинов, внешняя часть которого расплавлена и переходит в мантию. Предполагается, что в самом центре Земли температура выше, чем в атмосфере Солнца. Это означает, что у Земли есть внутренние источники тепла.
Относительно тонкая земная кора (причем под океанами более тонкая и более плотная, чем под материками) составляет внешний покров, который отделен от нижележащей мантии границей Мохоровичича. Самый плотный материал слагает ядро Земли, по-видимому, состоящее из металлов. Кора, внутренняя мантия и внутреннее ядро находятся в твердом состоянии, а внешнее ядро в жидком.
Эдвард Кононович
Характерная черта эволюции Земли — дифференциация вещества, выражением которой служит оболочечное строение нашей планеты. Литосфера, гидросфера, атмосфера, биосфера образуют основные оболочки Земли, отличающиеся химическим составом, мощностью и состоянием вещества.
Внутреннее строение Земли
Химический состав Земли (рис. 1) схож с составом других планет земной группы, например Венеры или Марса.
В целом преобладают такие элементы, как железо, кислород, кремний, магний, никель. Содержание легких элементов невелико. Средняя плотность вещества Земли 5,5 г/см 3 .
О внутреннем строении Земли достоверных данных весьма мало. Рассмотрим рис. 2. Он изображает внутреннее строение Земли. Земля состоит из земной коры, мантии и ядра.
Рис. 1. Химический состав Земли
Рис. 2. Внутреннее строение Земли
Ядро
Ядро (рис. 3) расположено в центре Земли, его радиус составляет около 3,5 тыс км. Температура ядра достигает 10 000 К, т. е. она выше, чем температура внешних слоев Солнца, а его плотность составляет 13 г/см 3 (сравните: вода — 1 г/см 3). Ядро предположительно состоит из сплавов железа и никеля.
Внешнее ядро Земли имеет большую мощность, чем внутреннее (радиус 2200 км) и находится в жидком (расплавленном) состоянии. Внутреннее ядро подвержено колоссальному давлению. Вещества, слагающие его, находятся в твердом состоянии.
Мантия
Мантия — геосфера Земли, которая окружает ядро и составляет 83 % от объема нашей планеты (см. рис. 3). Нижняя ееграница располагается на глубине 2900 км. Мантия разделяется на менее плотную и пластичную верхнюю часть (800-900 км), из которой образуется магма (в переводе с греческого означает «густая мазь»; это расплавленное вещество земных недр — смесь химических соединений и элементов, в том числе газов, в особом полужидком состоянии); и кристаллическую нижнюю, тол- шиной около 2000 км.
Рис. 3. Строение Земли: ядро, мантия и земная кора
Земная кора
Земная кора - внешняя оболочка литосферы (см. рис. 3). Ее плотность примерно в два раза меньше, чем средняя плотность Земли, — 3 г/см 3 .
От мантии земную кору отделяет граница Мохоровичича (ее часто называют границей Мохо), характеризующаяся резким нарастанием скоростей сейсмических волн. Она была установлена в 1909 г. хорватским ученым Андреем Мохоровичичем (1857- 1936).
Поскольку процессы, происходящие в самой верхней части мантии, влияют на движения вещества в земной коре, их объединяют под общим названием литосфера (каменная оболочка). Мощность литосферы колеблется от 50 до 200 км.
Ниже литосферы располагается астеносфера — менее твердая и менее вязкая, но более пластичная оболочка с температурой 1200 °С. Она может пересекать границу Мохо, внедряясь в земную кору. Астеносфера — это источник вулканизма. В ней находятся очаги расплавленной магмы, которая внедряется в земную кору или изливается на земную поверхность.
Состав и строение земной коры
По сравнению с мантией и ядром земная кора представляет собой очень тонкий, жесткий и хрупкий слой. Она сложена более легким веществом, в составе которого в настоящее время обнаружено около 90 естественных химических элементов. Эти элементы не одинаково представлены в земной коре. На семь элементов — кислород, алюминий, железо, кальций, натрий, калий и магний — приходится 98 % массы земной коры (см. рис. 5).
Своеобразные сочетания химических элементов образуют различные горные породы и минералы. Возраст самых древних из них насчитывает не менее 4,5 млрд лет.
Рис. 4. Строение земной коры
Рис. 5. Состав земной коры
Минерал — это относительно однородное по своему составу и свойствам природное тело, образующееся как в глубинах, так и на поверхности литосферы. Примерами минералов служат алмаз, кварц, гипс, тальк и др. (Характеристику физических свойств различных минералов вы найдете в приложении 2.) Состав минералов Земли приведен на рис. 6.
Рис. 6. Общий минеральный состав Земли
Горные породы состоят из минералов. Они могут слагаться как из одного, так и из нескольких минералов.
Осадочные горные породы - глина, известняк, мел, песчаник и др. — образовались путем осаждения веществ в водной среде и на суше. Они лежат пластами. Геологи называют их страницами истории Земли, так как но ним можно узнать о природных условиях, существовавших на нашей планете в давние времена.
Среди осадочных горных пород выделяют органогенные и неорганогенные (обломочные и хемогенные).
Органогенные горные породы образуются в результате накопления останков животных и растений.
Обломочные горные породы образуются в результате выветривания, псрсотложсния с помощью воды, льда или ветра продуктов разрушения ранее возникших горных пород (табл. 1).
Таблица 1. Обломочные горные породы в зависимости от размеров обломков
|
Название породы |
Размер облом кон (частиц) |
|
Более 50 см |
|
|
5 мм — 1 см |
|
|
1 мм — 5 мм |
|
|
Песок и песчаники |
0,005 мм — 1 мм |
|
Менее 0,005 мм |
Хемогенные горные породы формируются в результате осаждения из вод морей и озер растворенных в них веществ.
В толще земной коры из магмы образуются магматические горные породы (рис. 7), например гранит и базальт.
Осадочные и магматические породы при погружении на большие глубины под влиянием давления и высоких температур подвергаются значительным изменениям, превращаясь в метаморфические горные породы. Так, например, известняк превращается в мрамор, кварцевый песчаник — в кварцит.
В строении земной коры выделяют три слоя: осадочный, «гранитный», «базальтовый».
Осадочный слой (см. рис. 8) образован в основном осадочными горными породами. Здесь преобладают глины и глинистые сланцы, широко представлены песчаные, карбонатные и вулканогенные породы. В осадочном слое встречаются залежи таких полезных ископаемых, как каменный уголь, газ, нефть. Все они органического происхождения. Например, каменный уголь -это продукт преобразования растений древних времен. Мощность осадочного слоя колеблется в широких пределах — от полного отсутствия в некоторых районах суши до 20-25 км в глубоких впадинах.
Рис. 7. Классификация горных пород по происхождению
«Гранитный» слой состоит из метаморфических и магматических пород, близких по своим свойствам к граниту. Наиболее распространены здесь гнейсы, граниты, кристаллические сланцы и др. Встречается гранитный слой не везде, но на континентах, где он хорошо выражен, его максимальная мощность может достигать нескольких десятков километров.
«Базальтовый» слой образован горными породами, близкими к базальтам. Это метаморфизованные магматические породы, более плотные по сравнению с породами «гранитного» слоя.
Мощность и вертикальная структура земной коры различны. Выделяют несколько типов земной коры (рис. 8). Согласно наиболее простой классификации различают океаническую и материковую земную кору.
Континентальная и океаническая кора различны по толщине. Так, максимальная толщина земной коры наблюдается под горными системами. Она составляет около 70 км. Под равнинами мощность земной коры составляет 30-40 км, а под океанами она наиболее тонкая — всего 5-10 км.
Рис. 8. Типы земной коры: 1 — вода; 2- осадочный слой; 3 — переслаивание осадочных пород и базальтов; 4 — базальты и кристаллические ультраосновные породы; 5 — гранитно-метаморфический слой; 6 — гранулитово-базитовый слой; 7 — нормальная мантия; 8 — разуплотненная мантия
Различие континентальной и океанической земной коры по составу пород проявляется в том, что гранитный слой в океанической коре отсутствует. Да и базальтовый слой океанической коры весьма своеобразен. По составу пород он отличен от аналогичного слоя континентальной коры.
Граница суши и океана (нулевая отметка) не фиксирует перехода континентальной земной коры в океаническую. Замещение континентальной коры океанической происходит в океане примерно на глубине 2450 м.
Рис. 9. Строение материковой и океанической земной коры
Выделяют и переходные типы земной коры — субокеаническую и субконтинентальную.
Субокеаническая кора расположена вдоль континентальных склонов и подножий, может встречаться в окраинных и средиземных морях. Она представляет собой континентальную кору мощностью до 15-20 км.
Субконтинентальная кора расположена, например, на вулканических островных дугах.
По материалам сейсмического зондирования - скорости прохождения сейсмических волн — мы получаем данные о глубинном строении земной коры. Так, Кольская сверхглубокая скважина, впервые позволившая увидеть образцы пород с глубины более 12 км, принесла много неожиданного. Предполагалось, что на глубине 7 км должен начаться «базальтовый» слой. В действительности же он обнаружен не был, а среди горных пород преобладали гнейсы.
Изменение температуры земной коры с глубиной. Приповерхностный слой земной коры имеет температуру, определяемую солнечным теплом. Это гелиометрический слой (от греч. гелио — Солнце), испытывающий сезонные колебания температуры. Средняя его мощность — около 30 м.
Ниже расположен еще более тонкий слой, характерной чертой которого является постоянная температура, соответствующая среднегодовой температуре места наблюдений. Глубина этого слоя увеличивается в условиях континентального климата.
Еще глубже в земной коре выделяется геотермический слой, температура которого определяется внутренним теплом Земли и с глубиной возрастает.
Увеличение температуры происходит главным образом за счет распада радиоактивных элементов, входящих в состав горных пород, прежде всего радия и урана.
Величину нарастания температуры горных пород с глубиной называют геотермическим градиентом. Он колеблется в довольно широких пределах — от 0,1 до 0,01 °С/м — и зависит от состава горных пород, условий их залегания и ряда других факторов. Под океанами температура с глубиной нарастает быстрее, чем на континентах. В среднем с каждыми 100 м глубины становится теплее на 3 °С.
Величина, обратная геотермическому градиенту, называется геотермической ступенью. Она измеряется в м/°С.
Тепло земной коры — важный энергетический источник.
Часть земной коры, простирающаяся ло глубин, доступных для геологического изучения, образует недра Земли. Недра Земли требуют особой охраны и разумного использования.
Фигура и размеры Земли
Слова и словосочетания
Первые представления о форме и размерах Земли появились еще в глубокой древности. Так, Аристотель (III век до н.э.) привел первые доказательства шарообразности Земли, когда заметил округлую тень ее на диске Луны во время лунных затмений. Точный ответ о форме и размерах Земли дают измерения длины дуги меридиана величиной в один градус в разных местах на поверхности Земли. Эти измерения показали, что длина дуги меридиана в 1 0 в полярных областях наибольшая и составляет 111,7 км, а на экваторе она наименьшая – 110,6 км. Следовательно, наша Земля не является по своей форме шаром. Экваториальный радиус Земли больше полярного на 21,4 км. Таким образом, пришли к заключению, что форма нашей планеты соответствует эллипсоиду вращения. п оследующие измерения показали, что Земля сжата не только на полюсах, но и по экватору, т.к. наибольший и наименьший радиусы экватора отличаются по длине на 213 м. Представление о Земле как об эллипсоиде (или сфероиде) верны, но в действительности реальная поверхность Земли более сложная, т.к. на поверхности ее имеются глубокие впадины и возвышенности. Наиболее близкой к современной фигуре Земли является фигура, получившая название геоида .
Геоид – форма, которая определяется поверхностью свободно распределенной воды. В такой фигуре сила тяжести повсеместно располагается перпендикулярно к ее поверхности (рис. 1).
Современные результаты измерения геоида дают следующие значения: экваториальный радиус r э = 6378,16 км, полярный радиус r п = 6357,78 км, среднее значение радиуса – 6371,11 км. Длина экватора: L = 40075,696 км; площадь поверхности – 510,2 млн км 2 , ее объем – 1,083 × 10 12 км 3 , масса – 5,976 × 10 27 г.
На основании разницы в длине экваториального (а ) и полярного (в ) радиусов определена величина полярного сжатия Земли:
r = .
и звестно, что Земля обращается вокруг Солнца по эллиптической орбите на среднем расстоянии 149,5 млн км. п ериод обращения равен 365,242 ср. солн. сут. Скорость обращения в среднем составляет 29,8 км/с. Период вращения Земли вокруг собственной оси 23 часа 56 минут и 4,1 секунды. Скорость вращения Земли постепенно уменьшается, поэтому продолжительность суток за столетие увеличивается на 0,001 сек. Положение оси вращения осложняется медленным поворотом ее по круговому конусу (полный оборот за 26 тыс. лет) и колебанием оси с периодом 18,6 лет (явления прецессии и нутации).
1.2.
Геофизические поля и физические свойства Земли
Слова и словосочетания
|
геотермическая ступень |
магнитное наклонение |
|
геотермический градиент |
магнитное склонение |
|
гравиметр |
магнитометр |
|
гравиразведка |
миграция магнитных полюсов |
|
гравитационная аномалия |
остаточная намагниченность |
|
гравитационное поле |
палеомагнетизм |
|
изогоны |
сила тяжести |
|
изодинамы |
солнечная постоянная |
|
изоклины |
центробежная сила |
|
магнитная аномалия |
Под геофизическими полями Земли понимают естественные физические поля, создаваемые этой планетой. К ним относятся гравитационное, магнитное, тепловое и электрическое.
Гравитационное поле . На Земле постоянно действует сила притяжения, направленная к центру, и центробежная сила. Равнодействующая этих двух сил определяет силу тяжести. Единица измерения силы тяжести в гравиразведке названа в честь Галилея галом (1 см/с 2 = 1 Гал).
Особенности распределения силы тяжести на поверхности Земли были определены еще в XVIII веке французским математиком А. Клеро. Он впервые вывел формулу для вычисления силы тяжести на любой географической широте сфероида при известных значениях силы тяжести (ускорения свободного падения) у полюса и на экваторе:
g = g э +(g n – g э )sin 2 u,
где g , g э , g n – ускорение свободного падения, соответственно, для данной географической широты (u ), на экваторе и на полюсе.
Нормальные значения ускорения свободного падения на Земле уменьшаются от 978 см/с 2 на полюсах до 983 см/с 2 на экваторе. Однако, эти значения существенно отличаются от фактически измеряемых на поверхности Земли. Это отличие обусловлено изменением плотности пород, слагающих Землю. Эта особенность гравитационного поля и лежит в основе прикладного использования гравиметрического метода. Измерение ускорения свободного падения (g ) производится специальными приборами – гравиметрами. Отклонение фактических данных (g ) от теоретических значений для данной местности называются гравитационными аномалиями . По результатам гравиметрических измерений строятся гравиметрические профили и карты. Гравиметрические аномалии тесно связаны с распределением плотностей. Над плотными породами сила тяжести повышается, над менее плотными (легкими) она уменьшается. Следовательно, по гравиметрическим картам можно определять строение земной коры. Так, например, над выступами фундамента, породами основного и ультраосновного состава (габбро, перидотиты), рудами тяжелых металлов наблюдаются высокие значения тяжести (положительные аномалии), а над более легкими – относительное понижение значений силы тяжести (рис.2).
М
агнитное
поле Земли.
Магнитные
свойства нашей планеты были известны
еще в древнем Китае. Наша
з
емля
– это гигантский магнит с магнитным
полем вокруг, которое простирается за
пределы планеты на несколько земных
радиусов. Как всякий магнит, Земля имеет
магнитные полюса, которые, однако, не
совпадают с географическими полюсами,
так как центр магнитного поля смещен
относительно центра нашей планеты на
430 км (рис.3). В 1970 году положение
магнитных полюсов определялось
соответственно: Южный – вблизи Северной
Гренландии (74
°
с.ш. и 100
°
з.д.), а Северный – к западу от моря Росса
в
а
нтарктиде
(68
°
ю.ш. и
145
°
в.д.).
В положении магнитных полюсов отмечаются вековые, годовые и суточные колебания. Причем вековые колебания достигают 30 0 .
Н
агляднее
всего магнитное поле Земли проявляется
своим действием на магнитную стрелку,
которая в любой точке земной поверхности
устанавливается строго по
магнитному меридиану. Ввиду несовпадения
магнитных и географических полюсов, в
показаниях магнитной стрелки различают
магнитное склонение и наклонение.
Магнитное склонение – угол отклонения магнитной стрелки (магнитного меридиана) от географического меридиана данной местности. Склонение может быть восточным и западным (рис.4). Изогоны – это линии, соединяющие на карте точки с одинаковым склонением. Нулевая изогона определяет положение магнитного меридиана.
М
агнитное
наклонение
– угол наклона
магнитной стрелки к горизонту. В северном
полушарии опущен вниз северный конец
магнитной стрелки, в южном – южный конец
стрелки. Линии, которые соединяют точки
одинакового наклонения, называются
изоклинами
.
Нулевая изоклина соответствует магнитному
экватору.
Кроме
склонения и наклонения магнитное поле
характеризуется напряженностью, которая
невелика и не превышает 0,01А/м.
л
инии,
которые соединяют точки равной
напряженности, называются изодинамами
.
Напряженность магнитного поля
увеличивается от магнитного экватора
к полюсам. Отклонение значений
напряженности магнитного поля от
среднего значения для данной местности
называется магнитными
аномалиями
. Они связаны с
различными магнитными свойствами горных
пород, в разн
ой
степени намагничивающихся в магнитном
поле Земли.
Благодаря неоднородности магнитных свойств различных горных пород поиски полезных ископаемых ведутся методом магниторазведки. Также выясняются особенности геологического строения земной коры (рис.5). Магнитные свойства изучают с помощью магнитометров не только наземных, но и тех, которые устанавливают на самолетах и космических аппаратах.
П
о
остаточной намагниченности горных
пород появилась возможность восстанавливать
элементы древнего магнитного поля
(положение полюсов и напряженность),
что дало начало новой отрасли геологии
– палеомагнетизму.
Палеомагнитные исследования показали,
что магнитные полюса в течение последних
пятисот миллионов лет непрерывно
перемещались в западном направлении
со скоростью 1 см/год – миграция
магнитных полюсов
(рис.
6). Еще одной особенностью магнитного
поля Земли является периодическая смена
полярности магнитных полюсов, т.е.
инверсия полюсов
.
Через каждые 200–300 тысяч лет Северный
полюс магнита Земли становится южным
и наоборот. Шкалу магнитных инверсий
используют для расчленения и сопоставления
толщ горных пород и определения возраста.
По современным представлениям,
геомагнитное поле Земли имеет
электромагнитную природу. Оно возникает
под действием сложной системы электрических
токов, которые сопровождают турбулентную
конвекцию вещества в жидком внешнем
ядре. Следовательно, Земля работает,
как динамомашина (динамотеория Френкеля
– Эльзассера).
Тепловое поле Земли. Тепловой режим Земли обусловлен теплотой, которая выделяется из ее недр. Кроме того, для поверхности Земли имеет значение и теплота, получаемая от Солнца. В каждую минуту на 1 см 2 земной поверхности поступает от Солнца около 8,173 Дж тепла. Эта величина называется солнечной постоянной. Одна третья часть солнечной энергии отражается атмосферой и поверхностью Земли и рассеивается. и злучение Солнца намного превышает количество тепла, поступающего из глубины (около 4×10 –4 Дж в минуту). Поэтому температура на поверхности нашей планеты и верхнего слоя литосферы определяется излучением Солнца. Она колеблется (изменяется) в разное время суток и в разные времена года.
На некоторой глубине от поверхности располагается пояс постоянной температуры, равной среднегодовой температуре данной местности. Так, в Москве на глубине 20 метров от поверхности наблюдается постоянная температура, равная + 4,2 0 С, а в Париже +11,8 0 С на глубине 28 м. н иже пояса постоянной температуры под влиянием внутреннего тепла Земли температура возрастает в среднем на 3 0 С на каждые 100 м. и зменение температуры в градусах на единицу глубины называется геотермическим градиентом , а интервал глубины в метрах, на котором температура повышается на 1 ˚ , называется геотермической ступенью (ее среднее значение составляет 33 м).
Изучение внутреннего теплового потока показало, что его значение зависит от интенсивности эндогенных процессов и от степени подвижности коры. Среднее для Земли значение теплового потока около 1,4–1,5 мккал/см 2 ×с. п овышенные значения теплового потока наблюдаются в горных сооружениях (до 2 – 4 мккал/см 2 ×с), в пределах рифтовых долин срединно-океанических хребтов (до 2 мккал/см 2 ×с и более, достигая местами 6,0–8,0 мккал/см 2 ×с). в ысокие значения теплового потока отмечены также во внутренних рифтах Красного моря, озера б айкал. Основными источниками внутренней тепловой энергии Земли считаются:
р адиогенное тепло, связанное с распадом радиоактивных элементов ( 238 U , 235 U , 232 Th , 40 K и др).
г равитационная дифференциация вещества на границе мантии и ядра, которая сопровождается выделением тепла.
Как уже отмечалось, с увеличением глубины наблюдается увеличение температуры. Так, например, в Кольской сверхглубокой скважине, расположенной в пределах древнего кристаллического щита Восточно- е вропейской платформы, расчетный геотермический градиент был принят 1 ˚ С на 100 м, а ожидаемая температура на глубине 15 000 метров должна составить 150–160 ˚ С. и менно так распределялась температура до глубины 2 500 – 3 000 м. Д алее картина изменилась. Величина теплового потока увеличилась в два раза, и температурный градиент составил 1,7 – 2,2 ˚ С на 100 м. н а отметке 12 000 метров температура оказалась выше 200 ˚ С вместо ожидаемых 120 ˚ С.
П
о
расчетам различных авторов на глубине
100 км температура не превышает 1300 –
1500
˚
С, т.к.
именно с этих глубин изливается на
поверхность лава с температурой 1100 –
1250
0
С.
т
емпература
более глубоких зон мантии и ядра
оценивается весьма приблизительно 4000
– 5000
˚
С
(рис.7).
Распределение и изменение температуры в верхних слоях земной коры в основном связано с локальными источниками тепла, а также различной теплопроводностью горных пород.
К
локальным источникам следует отнести:
магматические очаги, зоны разломов с
активной циркуляцией термальных вод,
участки с повышенной концентрацией
радиоактивных элементов и др.
с
ущественное
влияние на распределение тепла оказывает
теплопроводность горных пород. Так,
например, кристаллические породы
обладают более высокой теплопроводностью,
чем рыхлые осадочные породы, а
теплопроводность вдоль пластов
значительно выше, чем в перпендикулярном
к напластованию направлении. Поэтому
при залегании, близком к вертикальному,
толще осадочных пород будет свойственна
более высокая температура, чем при
горизонтальном залегании. Этим объясняется
повышение температуры над нефтяными
месторождениями, которые расположены
в выпуклых изгибах пластов (рис. 8).
т
емпература
недр – один из основных факторов,
контролирующих образование скоплений
многих полезных ископаемых. Так,
аккумуляцию углеводородов разного
фазового состава обусловливает пластовая
температура и давление, в зависимости
от которых формируются залежи
преимущественно однофазовые (нефтяные
или газовые), двухфазовые (газонефтяные)
или находятся в критическом состоянии
(газоконденсатные).
т
аким
образом, сведения о пластовом давлении
и температуре позволяют целенаправленно
вести поиски месторождений нефти и
газа.
Loading...