Лекции.ИНФО


Вопрос 16. Происхождение и строение Земли.



Первоначальное строение протопланетного облака и его структура в более поздний период выводятся из строения земных горных пород, горных пород, доставленных на

Землю с Луны, метеоритов и атмосфер Земли, Марса, Венеры и Юпитера.

Появлению теории развития Земли больше всех способствовали исследователи, изучавшие постепенную конденсацию и аккрецию твердой планеты по мере того как она увлекала огромны^ .. ..'ичества малых частиц из протопланетного диска, из которого обра-зовалась-теперешняя Солнечная система. Так как планета росла, она начала нагреваться в результате совместного действия гравитационного сжатия, столкновений с метеоритами и нагревания, вызванного радиоактивным распадом урана, тория и калия,

(Хотя калий обычно не считается радиоактивным элементом, 0,01 °/о этого элемента на Земле является радиоактивным изотопом калия-40.) В результате внутренние слои расплавились. Процесс расплавления можно назвать «железной катастрофой»; он включал в себя обширную перестройку всего тела планеты.

Расплавленные капли железа и сопутствующих ему элементов оседали к центру

Земли и там образовали расплавленное ядро, кот остается в значит степени оасплавленным и сегодня.

По мере того как тяжелые металлы оседали к центру, легкие «шлаки» всплывали наверх — к внешним слоям, которые в настоящее время составляют верхнюю мантию и кору. Возникновению более легких элементов, таких, как алюминий и кремний и два щелочных металла, натрий и калий, сопутствовало образование радиоактивных тяжелых элементов урана и тория. Объяснение возникновения этих тяжелых элементов лежит в механизме, посредством которого атомы урана и тория образуют кристаллические соединения. Размер и химическое сродство атомов препятствуют тому, чтобы они образовывали плотные, компактные структуры, которые являются устойчивыми при высоких давлениях, существующих в глубоких недрах Земли. Следовательно, атомы урана и тория были «выжаты» и вынуждены переселяться вверх, в область верхней мантии и коры, где они легко подошли к более открытым кристаллическим структурам силикатов и окислов, находящихся в горных породах земной коры

По мере того как внутри Земли произошла дифференциация на ядро, мантию и кору, вещество в верхних областях также расслаивалось на разные фракции, i Нижние слои коры состоят из базальтов и габбро — темных горных пород, в состав которых входят кальций, магний и соединения, богатые железом, главным образом силикаты. Они образовались в результате частичного расплавления и разделения более плотных веществ верхней мантии. Базальт и габбро сами подверглись дифференциации в результате кристаллизации и частичного плавления и так же, как более легкие жидкие вещества, были выдавлены через кору. В верхних слоях коры и на поверхности они затвердевали и образовывали такие более легкие горные породы вулканического происхождения, как гранит, обогащенные кремнием, алюминием и калием.

Форма Земли ближе всего напоминает геоид, понятие о котором ввел немецкий ученый И.Б.Листинг в 1873 г. Геоид - воображаемая выровненная поверхность Земли, всюду перпендикулярная к действительному направлению отвеса, т.е. силы тяжести. Она совпадает с зеркалом воды в океанах, находящихся в состоянии абсолютного покоя (мысленно продолженном и под материками).

По международному соглашению 1924 года приняты следующие постоянные величины Земли: радиус полярный 6356,863 км;

радиус экваториальный 6378,245 км;

радиус средний 6371 км;

площадь поверхности 510 млн. км2;

объем 1083204 млн. км3;

средняя плотность 5,5 г/см3;

масса 5,976 . 1027 г

Рельеф - совокупность всех форм поверхности литосферы или неровности всей каменной оболочки - не только в области суши, но и под водами морей и океанов. Современные материки занимают 149 млн. км2 (29,2% поверхности Земли). Большая часть материков имеет поверхность с небольшими абсолютными высотами. Наиболее глубокие впадины океанического дна лежат на глубине свыше 11000 м ниже уровня моря (Марианская впадина - 11022 м), наиб высокие горные вершины превышают 8000 м (Эверест 8848 м).

Сила тяжести, обусловливает вес тел, направлена всегда перпендикулярно к поверхности геоида и обратно пропорциональна квадрату расстояния от центра притяжения. Наблюдения над изменением силы тяжести на поверхности Земли производятся при помощи так называемых маятниковых и крутильных весов. Выяснено теоретически, что напряженность силы тяжести постепенно и равномерно убывает по направлению от полюсов к экватору. Однако, фактическое распределение силы тяжести на континентах и в областях океанов неодинаково. На любой широте над океанами сила тяжести больше, чем над континентами. Кроме того, на континентах на фоне равномерного убывания силы тяжести от полюсов к экватору наблюдаются участки ее аномального возрастания или убывания. Они называются положительными и отрицательными гравитац аномалиями и привлекают внимание геологов как районы возможного залегания полезных ископаемых. Положительные аномалии силы тяжести свидетельствуют о залегании на глубине более плотных масс, кот обычно явл руды металлов. Отрицательные аномалии - менее плотные массы (каменная соль, нефть, газ).

У поверхности Земли температурный режим определяется двумя источниками: теплом, получаемым от Солнца и собственным теплом планеты из ее недр. Соотношение этих источников таково: соответственно 99,5% и 0,5%. Приток внутреннего тепла очень неравномерно распределяется на Земле и сосредоточен в основном в местах проявления вулканизма. Однако прогревание солнечными лучами распространяется за год вглубь Земли самое большее на 8-30 см. Ниже этой границы располаг пояс постоянной температуры, соответ среднегодовой температуре данной местности. В шахтах и буровых скважинах, углублённых ниже пояса постоян темпер, наблюд постепенное увелич темпер с глубиной. Земля представл собою магнит, полюса кот не совпадают с географическими полюсами земного шара, хотя лежат близко к ним. Положение магнитных полюсов меняется с течением времени в связи с вековым изменением магнитного поля Земли.

Важной характеристикой магнитного поля Земли является его напряжённость. Единицей измерения напряжённости - эрстед - сила, сообщающая в 1 сек. массе в 1 мг ускорение в 1 мм. Макс напряжённость магнитного поля проявляется на полюсах; к магнитному экватору напряжённость падает. Это изобр на карте в виде изодинам - линий одинаковой напряжённости магнитного поля, которые близки в простирании к изоклинам (линиям одинакового наклонения магнитной стрелки), т.е. расположены почти широтно.

Особого внимания геологов заслуживают изменения напряжения магнитного поля на отдельных участках, выраженные в нарушении правильности изображения изолиний. Это так называемые магнитные аномалии. Положительные магнитные аномалии указывают на залежи руд с магнитными свойствами. Плотность вещества - отношение его массы к объёму (или величина его массы, заключенной в единице объёма). Плотности масс, залегающих на больших глубинах, определяются при помощи сейсмологии. Плотность горных пород изменяется в широких пределах. Есть породы, обладающие плотностью меньше воды, например, нефть (0,70). Следует отметить, что к горным породам относятся все тела, слагающие земную кору, независимо от их состава и агрегатного состояния (в том числе и вода). Есть в числе горных пород вещества и более плотные (Fe - 7,8 г/см3, Pt - 21,4).

В верхних слоях земной коры преобладают породы с плотностью 2,7, очень близкой к плотности гранитов. Средняя плотность Земли установлена на основе закона всемирного тяготения с помощью маятниковых или крутильных весов и равна 5,52 г/см3. Такая большая величина средней плотности Земли, превосходящая более чем в два раза плотность наиболее распространённых в земной коре пород убеждает в том, что в недрах Земли должны быть сосредоточены массы высокой плотности. Плотность ядра определена в среднем 11 г/см3. Совершенно очевидно, что с глубиной плотность вещества Земли должна возрастать, прежде всего в связи с его сжатием под воздействием вышележащих пород. Однако данные об изменении скорости продольных сейсмических волн показывают с углублением скачки в плотности пород. До глубины 8-80 км плотность плавно возрастает от 2,7 г/см3 (плотность наиболее распространённых пород) до 2,9 г/см3 (плотность базальтов). На границе 8-80 км плотность скачкообразно возрастает до 3,4 г/см3. Далее она плавно изменяется до 5,6 г/см3. На глубине 2900 км это изменение прерывается новым скачком до 10 г/см3. В центре Земли плотность достигает 13 г/см3.

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 SiO2 в них более 60%, поэтому их относят к кислым породам. Плотность пород слоя 2,65-2,80 г/см3. Мощность 20-40 км. В составе океанической коры (например, на дне Тихого океана) гранитный слой отсутствует, являясь, т о, 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 SiO2, чем граниты). Плотность вещества достигает 3,32 г/см3. 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) - 1000-1300оС, с глубиной повышается и у нижней границы достигает 2300оС. 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 103о до 143о дуги). Скорость распростр 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/см3. 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/см3, скорость продольных волн 11,2-11,3 км/сек. Расчёты показывают, что температура должна достигать там нескольких тысяч градусов (до 4000о). 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 самостоят водный слой - океаносфера.

Из общей площади Земли в 510 млн. км2, 361 млн. км2 (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: O2, H2, 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 - О2 и N2 - всегда присутствуют СО2, водяной пар, немного инертных газов (Ar), Н2, 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.).









Читайте также:

Последнее изменение этой страницы: 2016-03-22; Просмотров: 90;


lektsia.info 2017 год. Все права принадлежат их авторам! Главная