Методы изучения внутреннего строения и состава Земли

Методы 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.

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.

ГЕОЛОГИИ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗЕМЛЕ.

Геология - наука о Земле.

Форма и размеры Земли.

Физические свойства Земли.

Внутреннее строение Земли.

1. Геология.

Геология - наука о Земле. Она изучает состав, строение и за­кономерности развития Земли. Современная геология - комплексная наука, объединяющая несколько взаимосвязанных между собой дис­циплин (ветвей геологии). Все составляющие современную геоло­гию дисциплины имеют свои объекты и методы познания Земли.

В настоящее время уровень развития этой дисциплины такой, что ее подразделяют на ряд самостоятельных научных отраслей.

1. Геохимия - изучает химический состав земной коры, законы распределения и перемещения химических элементов и их изото­пов.

2. Минералогия - рассматривает природные химические соеди­нения - минералы, изучает физико-химические свойства и процес­сы, связанные с их образованием в земной коре.

3. Петрография - описывает состав и строение горных пород - закономерных скоплений минералов, слагающих земную кору, формы их залегания, происхождение и размещение.

4. Динамическая геология - рассматривает процессы, происхо­дящие в недрах планеты и на ее поверхности (землетрясения, вул­канизм, деятельность ветра, моря, рек, ледников и т.д.)

5. Историческая геология - производит восстановление про­шлого, что очень важно для поисков различных полезных ископае­мых.

6. Геофизика - наука, использующая различные физические ме­тоды исследования глубоких недр Земли.

7. Гидрогеология - изучает подземные воды, содержащиеся в недрах нашей планеты.

8. Инженерная геология - наука изучающая грунты, геологиче­ские и инженерно-геологические процессы, влияющие на условия строительства и эксплуатации сооружений и мелиоративных сис­тем.

Наиболее полно в настоящее время изучены поверхностные слои Земли. Один из основных методов исследования верхней поверхности земной коры - метод полевых геологических съемок. Суть ме­тода - тщательные полевые исследования современных геологиче­ских процессов, естественных выходов горных пород уклонах реч­ных долин, оврагов и т.д. Изучаются состав горных пород, характер их залегания, ископаемые остатки организмов и др. Изучая земную кору, необходимо учитывать какой была раньше и каким изменени­ям подверглась. С этой целью ученые предложили сравнительно-литологический метод, основанный на представлении о необрати­мом и направленном процессе развития Земли, на представлении об эволюции условий осадконакопления в истории Земли.

Более глубокие слои земной коры и Земли в целом изучают в основном косвенными методами - геофизическими .

К геофизическим методам относятся: сейсмический, гравимет­рический, магнитометрические и другие.

Сейсмический метод позволяет по изменению скорости прохождения сейсмических волн, возникающих при землетрясениях изучать состав и свойства глубоких слоев Земли.

Гравиметрический метод основан на изучении распределения на поверхности Земли силы тяжести. При теоретических расчетах сила тяжести Земли принимается однородной.

Магнитометрический метод основан на изучении изменений магнитного поля Земли в различных ее участках в зависимости от состава и строения земной коры.

2. Форма и размеры Земли

Земля - одна из планет обращающихся вокруг солнца. Земля имеет форму геоида, который приближенно можно определить как шар, сплюснутый на полюсах. Поверхность Земли превышает 510 млн. км. На поверхности Земли имеются крупные неровности рельефа - глубочайшие океанические впадины (Марианская впади­на в Тихом океане, глубина более 11034 м) высочайшие горные системы и хребты (наивысшая точка в Гималаях - пик Джомолунгма - 8848 м).

Форма и размеры Земли не остаются постоянными. Глубинное сжатие приводит к тому, что ее радиус уменьшается примерно на 5 см в столетие, что вызывает сокращение объема Земли.

Скорость вращения Земли также изменяется, при уменьшении объема Земли она увеличивается. На поверхности Земли материки и океаны распределены неравномерно. Если для всей планеты пло­щадь океана составляет 70,8 %, а суши 29,2 %, то для северного по­лушария - 61 и 39 % соответственно, а для южного - 81 и 19%.

Как известно, Земля состоит из нескольких оболочек. Самая внешняя, газообразная оболочка Земли называется атмосферой . Ее состав: азота - 70,08 %, кислорода - 23,95 %, аргона - 0,93 %, угле­кислоты - 0,09 %, других газов - 0,01 %.

Атмосфера находится в постоянном движении, зависящем от деятельности Солнца, распределения континентов и океанов на по­верхности Земли.

Атмосфера удерживает солнечное тепло, в ней формируются погодные климатические условия. Режим атмосферы крайне из­менчив. Это мы ощущаем ежедневно в виде изменений погоды.

Гидросфера - это прерывистая водная оболочка земного шара представляющая собой совокупность океанов, морей, рек, озер и ледников.

Воды гидросферы разнородны по химическому составу и свой­ствам. Они встречаются в жидком (вода), твердом (лед) и газооб­разном (пар) состояниях.

Литосфера является сплошной твердой оболочкой Земли. Лито­сфера неоднородна по своей мощности и составу. Под дном миро­вого океана толщина литосферы уменьшается, а под возвышенно­стями увеличивается. По составу литосфера представлена 3-мя го­ризонтами:

Осадочный слой - мощностью до 1,5 км, плотность вещест­ва - 2,5 гр на 1 см 3 , породы представлены современными отложе­ниями (осадочными, магматическими). Продукт горных пород - результат деятельности поверхностных процессов (экзогенные).

Гранитный слой - мощность 10-50 км, плотность вещества -2,6-2,7 гр на 1 см 3 , представлен горными породами магматического цикла, имеющими кислый химический состав.

Базальтовый слой - мощность около 50 км, плотность 3,2-3,5 гр на 1 см 3 , представлен магматическими породами ультраос­новного состава.

Биосфера - сфера распространения живых существ.

При изучении поверхности Земли оказалось, что живое ве­щество почти сплошной пеленой покрывает земной шар. С глуби­ной отмечается постепенное затухание жизни.

Наибольшие границы распространения имеют бактерии и их споры.

Они способны жить в условиях высоких и очень низких темпе­ратур и давлений.

3. Физические свойства Земли.

К физическим свойствам Земли относятся: сила тяжести, плотность, магнетизм и тепловые свойства.

Сила тяжести. Изменение силы тяжести на поверхности Земли определяется ее строением и формой: сила тяжести больше в по­лярной области и меньше в экваториальной. Ускорение силы тяже­сти постепенно уменьшается от полюсов - к экватору на 0,5 %.

Плотность Земли. Средняя плотность земной коры 2,7 г/см 3 , средняя плотность Земли 5,52 г/см 3 .

Магнитные свойства Земли (магнетизм). Земля - гигантский магнит. Магнитное поле на поверхности Земли двух типов: пере­менное и постоянное. Переменное поле Земли связано с излучени­ем Солнца, постоянное магнитное поле обязано своим происхожде­нием скорее всего сложным процессам, протекающим в ядре Земли и на границе ядра и мантии. Магнитные свойства горных пород не­одинаковы и изменяются в значительных пределах. Наибольшей магнитной восприимчивостью обладают руды железа, титана, ни­келя и кобальта, а также породы, богатые ими.

Основные магнитные показатели Земли:

1. Магнитное склонение - определяют как угол, на который от­клоняется стрелка от географического меридиана. Склонение мо­жет быть восточным и западным. Соединяя точки с одинаковым склонением строят изогоны. Карты изогон определяют склонение в любой точке Земли.

2. Магнитное склонение - это угол наклона магнитной стрелки к горизонту. Различают Южное и Северное наклонение магнитной стрелки.

Под тепловыми свойствами понимают количество тепловой энергии поступающей на Землю. Тепловую энергию Земли подраз­деляют на: 1) внешнюю; 2) внутреннюю.

Внешняя тепловая энергия - это преобладающее поступление тепла (90 %), которое определяет температуру литосферы.

Источник тепла - источник внешней энергии - солнечная лучи­стая энергия.

Объем поступления тепла определяется энергией на единицу площади. (Энергия от поступления тепла солнца в эквиваленте со­ставляет энергию работы ДнепроГЭСа за год).

Внутренняя энергия определяется радиоактивным распадом элементов внутри Земли.

Составляет около 10 % всего Земного тепла и влияет в основ­ном на структуру ядра и мантии.

Параметры, определяющие тепловой режим.

Геотермический градиент - это температура, на которую по­вышается температура слоя Земли с увеличением глубины на 100 м

Геотермическая ступень - глубина, при которой происходит повышение температуры Земли на 1 С.

Величина геометрического градиента и геотермической ступе­ни зависят от теплопроводности пород, геологического строения местности и ряда других причин.

4. Внутреннее строение Земли

Понятие земная кора сложилось еще в начале XIX века. Раньше считали, что Земля представляет собой на определенном этапе раз­вития расплавленное тело, покрытое сверху тонкой остывшей обо­лочкой - корой. Наименование верхней сферы Земли «земная кора» сохранилась до сего дня. В настоящее время под земной корой по­нимают толщу горных пород, располагающуюся выше поверхно­сти.

Земная кора с поверхности сложена осадочными горными по­родами (глины, пески и известняки).

Основными структурами земной коры, или структурами перво­го порядка, являются континенты и океаны. Для каждой из этих двух структур характерен свой тип земной коры. Для первых - кон­ тинентальный, или материковый, для вторых - океанический .

Материковый тип земной коры. Этот тип коры присущ матери­кам и материковой отмели. Мощность материковой коры 20-80 км.

Океанический тип земной коры. Состоит из осадочного и базальтового слоев. Мощность коры 5-7 км, реже 10-12 км. Океа­нический тип земной коры свойственен ложу океана.

Ниже земной коры располагается мантия . Она располагается до глубины 2900 км. Состав и строение мантии неоднородны как в горизонтальном, так и вертикальных направлениях. Верхняя ман­тия является самой активной частью оболочки. Она имеет важное значение в формировании земной коры и образовании месторождений. За счет выплавления веществ из нее формируются магматиче­ские горные породы и связанные с ними полезные ископаемые зем­ной коры.

Ядро Земли . Радиус земного ядра равен 3470 км. Ядро слоисто. В нем выделяют слой Е, протяженность от 2900 до 4980 км в глу­бину (внешнее ядро), слой В - с глубины 5120 км. до центра Земли (внутреннее ядро или ядрышко) и слой Р - между 4980 и 5120 км (промежуточная зона).

Ядро обладает хорошей электропроводностью и высокой плот­ностью. Предполагают, что оно сложено железом и никелем, хотя мнения ученых расходятся. Некоторые из них считают, что внеш­нее ядро состоит из жидкого металла, а внутреннее - из твердого.

Нижние слои мантии и ядро практически не изучены. На осно­вании изучения химических свойств поверхности Земли нельзя сделать выводы о строении нижних слоев, поэтому имеются только предположения, пока их два:

Для каждой геосферы характерен особый химический состав.

Изменение физических свойств во внутренних зонах Земли объясняется не особым химическим составом этих зон, а резко из­мененными свойствами веществ, возникающими внутри Земли при огромных давлениях.

R - земного ядра равен 3470 км.

Ядро Земли, полностью лишено каких бы то ни было химиче­ских свойств. Это по определению А.Ф. Капустинского, «зона ну­левого химизма» - здесь химические реакции не осуществимы в связи с полным разрушением электронных оболочек атомов вслед­ствие огромных давлений.

Для ядра характерны: высокие электро и теплопроводность, а также постоянная температура на всем его протяжении.

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?

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