 |
Форма, размеры и строение Земли
|
|
|
|
Основы геологии
Учебное пособие для студентов специальности
«Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»
Березники 2008
УДК 551.1/.4.
ББК 26.3
Б 43
Рецензенты:
доктор геолого-минералогических наук И.И.Чайковский
(Горный институт УрО РАН),
кандидат технических наук Б.В.Титов
(БФ Пермс. гос. техн. ун-та)
Белкин, В.В.
Б43 Основы геологии: учеб. пособие/ В.В.Белкин.- Перм. гос. техн. ун-т. – Березниковский филиал, 243 с.
ISBN
Изложено содержание курса «Геология», контрольные вопросы, рекомендуемая литература для студентов специальности «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых» при изучении основ геологии.
УДК 551.1/.4.
ББК 26.3
Б 43
ã ГОУ ВПО
«Пермский государственный технический университет», 2008
ISBN
СОДЕРЖАНИЕ
стр.
Введение ……………………………………………………......................………8
Часть I. Основные данные о Земле и земной коре …........................……… 13
· Глава 1. Форма, размеры и строение Земли …...................……. 13
o 1.1. Форма и размеры Земли…………….......................……13
o 1.2. Внутреннее строение Земли………......................…......15
o 1.3. Термодинамические условия………......................……18
§ Плотность. Давление. Ускорение силы тяжести......18
§ Магнетизм. Магнитное поле Земли. Тепловой режим Земли ……………………...........................................19
§ Температура внутри Земли. Средний химический состав Земли………………......………………21
· Глава 2. Вещественный состав земной коры …………………..25
o 2.1. Химический состав земной коры………………………25
o 2.2. Минералы………………………………………………..25
§ Физические свойства минералов….............................27
§ Оптические свойства минералов….............................28
|
|
|
§ Механические свойства минералов.............................29
§ Классификация минералов и их описание..................30
§ Классы самородных элементов и сульфидов..30
§ Класс галоидных соединений…………………31
§ Класс оксидов и гидроксидов…………………32
§ Класс карбонатов………………………………34
§ Класс сульфатов………………………………..35
§ Класс фосфатов……………...............................34
§ Класс силикатов………………………………..36
o 2.3. Горные породы………………………………………….40
§ Наиболее распространенные магматические породы. Нормальный ряд…………………………………...43
§ Щелочной ряд…………………………………………46
§ Осадочные горные породы…………..........................47
§ Метаморфические горные породы ………………….54
§ Породы регионального метаморфизма……………...55
· Глава 3. Строение земной коры, мантии и ядра Земли …....…58
o 3.1. Строение земной коры …………………………………58
§ Континентальный тип земной коры............................58
§ Океанская кора………………………………………..60
o 3.2. Состав и состояние вещества мантии и ядра Земли.....61
Часть II. Геологические процессы …………………………………………...66
Экзогенные процессы …………………………………………….....................66
· Глава 4. Выветривание …………………………………………...66
o 4.1. Физическое выветривание………………......................66
o 4.2. Химическое выветривание …………………………….69
§ Окисление……………………………………………..69
§ Гидратация…………………………………………….70
§ Растворение…………………………………………....70
§ Гидролиз ………………………………………………70
o 4.3. Кора выветривания……………………….......................71
o 4.4. Кора выветривания и полезные икопаемые…....….…..76
o 4.5. Почвы и почвообразование…………….........................76
· Глава 5. Геологическая деятельность ветра ……………..…….79
o 5.1. Перенос……………………………………………..……80
o 5.2. Аккумуляция и эоловые отложения……………….…. 80
§ Формы эолового песчаного рельефа……………..… 82
|
|
|
· Глава 6. Геологическая деятельность поверхностных текучих вод ……………….........................................................................85
o 6.1. Плоскостной склоновый сток………………..………...85
o 6.2. Деятельность временных русловых потоков………….86
o 6.3. Деятельность рек…………………………………..……88
§ Речная эрозия ………………………………...……….89
§ Перенос……………………………..............................90
§ Аккумуляция…………………………………...….…...91
o 6.4. Строение пойм и фациальный состав аллювия …........92
o 6.5. Цикловые эрозионные врезы и надпойменные речные террасы…………………………………….........…………93
o 6.6. Устьевые части рек………………………..……………95
o 6.7. Теоретическое и практическое значение деятельности рек………………......……………………………… 97
· Глава 7. Геологическая деятельность подземных вод …........101
o 7.1. Виды воды в горных породах…………………….…..101
§ Водноколлекторские свойства горных пород ….....101
o 7.2. Происхождение подземных вод………..…………… 104
o 7.3. Классификация подземных вод………………………105
o 7.4. Грунтовые воды и их режим …………………………106
o 7.5. Напорные подземные воды …………..........................109
o 7.6. Общая минерализация и химический состав подземных вод………………....................……………………….111
o 7.7. Минеральные воды …………………………………...114
o 7.8. Карстовые процессы…………………......................... 115
o 7.9. Оползневые процессы…………………………………118
· Глава 8. Геологическая деятельность ледников......................122
o 8.1. Типы ледников…………………………...…………… 122
§ Антарктический ледник……………………………..122
§ Гренландский ледник………………………………..123
§ Горные ледники…………………...............................124
o 8.2. Движение ледников…………………………...……… 125
o 8.3. Ледниковое разрушение и осадкообразование.....…..126
o 8.4. Переносная и аккумулятивная деятельность ледников…………………………………………………………...127
§ Отложенные морены……………...............................128
o 8.5. Флювиогляциальные или водно-ледниковые отложения……………………………............................................130
o 8.6.Отложения в перигляциальных областях…….............132
§ Зандры ……………………………………………….132
§ Лимногляциальные………………………………….132
§ Лессы............................................................................133
· Глава 9. Геологическая деятельность океанов и морей....…135
o 9.1. Основные особенности подводного рельефа океанов и морей...............................................................................135
|
|
|
o 9.2. Химические и физические свойства вод океанов и морей……….......................…........................................137
o 9.3. Органический мир океанов и морей………………….139
o 9.4. Разрушительная деятельность моря………………….142
o 9.5. Образование осадков в океанах и морях и их генетические типы………………………………………………..144
§ Генетические типы донных осадков…................….145
§ Типы рифов…………………………………………..150
§ Вулканогенные осадки………...................................151
o 9.6. Диагенез и последиагенетические изменения осадочных пород …………………………………………………154
o 9.7. Понятие о фациях…………………….......................... 157
Эндогенные процессы …………………………..…………….........................160
· Глава 10. Магматизм ……………………………….……………160
o 10.1. Понятие о магме…………………………………….. 160
o 10.2. Интрузивный магматизм…………………….………163
o 10.3. Вулканизм…………………………………….………167
§ 10.3.1. Продукты извержения вулканов…….......…167
§ 10.3.2. Типы вулканических построек……….……171
§ 10.3.3. Типы вулканических извержений…………173
§ 10.3.4. Поствулканические явления ……........……175
§ 10.3.5. Географическое распространение современных вулканов и проблема магматических очагов…………….............................…….177
· Глава 11. Метаморфизм …………………………...…………… 180
o 11.1. Факторы метаморфизма …………………………….180
o 11.2. Основные типы метаморфизма…………………….. 181
o 11.3. Понятие о фациях метаморфизма….......................... 183
· Глава 12. Современные и новейшие тектонические движения и методы их изучения ………….....................................…185
o 12.1. Современные вертикальные движения……........…..186
o 12.2. Современные горизонтальные движения.......……..186
o 12.3. Новейшие движения и методы их изучения..............188
· Глава 13. Тектонические нарушения ………………………….194
o 13.1. Деформации и нарушения …………………………..195
o 13.2. Складчатые нарушения ……………………………..197
o 13.3. Разрывные нарушения……………………………….202
§ Основные типы тектонических разрывов................ 203
§ Сочетание разрывов и их соотношение со складчатостью………….......................................................205
|
|
|
§ Соляная тектоника………………..............................207
· Глава 14. Землетрясения ……………………………………….. 209
o 14.1. Очаг, сейсмические волны, магнитуда и энергия землетрясений…………………………………………………….209
o 14.2. Географическое распространение и тектонический контроль землетрясений…………......……….213
o 14.3. Сейсмическое районирование и прогноз землетрясений…………………………………………………….215
· Глава 15. Основные структурные элементы земной коры...........................................................................................................218
Часть III. Основы исторической геологии ………………………………..225
· Глава 16. Относительная и абсолютная геохронология и методы реконструкции геологического прошлого ………...............225
o 16.1. Относительная геохронология………………………227
o 16.2. Абсолютная геохронология …………………………230
o 16.3. Периодизация истории земли и международные геохронологическая и стратиграфическая шкалы…............…...232
o 16.4. Местные стратиграфические подразделения…………………………………………………….235
o 16.5. Восстановление физико-географических обстановок геологического прошлого…..................................... 236
o 16.6. Тектонические движения геологического прошлого и взаимоотношения пластов горных пород………………………………………………………………240
o 16.7. История развития земной коры……..........................242
ВВЕДЕНИЕ
Геология (греч. "гео" - земля, "логос" - учение) - одна из важнейших наук о Земле. Она занимается изучением состава, строения, истории развития Земли и процессов, протекающих в ее недрах и на поверхности. Современная геология использует новейшие достижения и методы ряда естественных наук – математики, физики, химии, биологии, географии. Значительный прогресс в указанных областях наук и геологии ознаменовался появлением и развитием важных пограничных наук о Земле – геофизики, геохимии, биогеохимии, кристаллохимии, палеогеографии, позволяющих получить данные о составе, состоянии и свойствах вещества глубоких частей земной коры и оболочек Земли, расположенных ниже. Особо следует отметить многостороннюю связь геологии с географией (ландшафтоведением, климатологией, гидрологией, гляциологией, океанографией) в познании различных геологических процессов, совершающихся на поверхности Земли. Взаимосвязь геологии и географии особенно проявляется в изучении рельефа земной поверхности и закономерностей его развития. Геология при изучении рельефа использует данные географии, так же как и география опирается на историю геологического развития и взаимодействия различных геологических процессов. Вследствие этого наука о рельефе – геоморфология – фактически является также пограничной наукой.
|
|
|
По геофизическим данным в строении Земли выделяется несколько оболочек: земная кора, мантия и ядро Земли. Предметом непосредственного изучения геологии являются земная кора и подстилающий твердый слой верхней мантии - литосфера (греч. "литос" - камень). Сложность изучаемого объекта вызвала значительную дифференциацию геологических наук, комплекс которых совместно с пограничными науками (геофизикой, геохимией и др.) позволяет получить освещение различных сторон его строения, сущность совершающихся процессов, историю развития и др.
Одним из нескольких основных направлений в геологии является изучение вещественного состава литосферы: горных пород, минералов, химических элементов. Одни горные породы образуются из магматического силикатного расплава и называются магматическими или изверженными, другие – путем осаждения и накопления в морских и континентальных условиях и называются осадочными; третьи – за счет изменения различных горных пород под влиянием температуры и давления, жидких и газовых флюидов и называются метаморфическими.
Изучением вещественного состава литосферы занимается комплекс геологических наук, объединяющихся часто под названием геохимического цикла. К ним относятся: петрография (греч. "петрос" - камень, скала, "графо" - пишу, описываю), или петрология - наука, изучающая магматические и метаморфические горные породы, их состав, структуру, условия образования, степень изменения под влиянием различных факторов и закономерность распределения в земной коре. Литология (греч. "литос" - камень) – наука, изучающая осадочные горные породы. Минералогия - наука, изучающая минералы: природные химические соединения или отдельные химические элементы, слагающие горные породы. Кристаллография и кристаллохимия занимаются изучением кристаллов и кристаллического состояния минералов. Геохимия – обобщающая синтезирующая наука о вещественном составе литосферы, опирающаяся на достижения указанных выше наук и изучающая историю химических элементов, законы их распределения и миграции в недрах Земли и на ее поверхности. С рождением изотопной геохимии в геологии открылась новая страница в восстановлении истории геологического развития Земли.
Изучение вещественного состава литосферы, как и других процессов, производится различными методами. В первую очередь это прямые геологические методы – непосредственное изучение горных пород в естественных обнажениях на берегах рек, озер, морей, разрезов шахт, рудников, кернов буровых скважин. Все это ограничено относительно небольшими глубинами. Наиболее глубокая, пока единственная в мире, Кольская скважина достигла всего лишь 12,5 км. Но более глубокие горизонты земной коры и прилежащей части верхней мантии также доступны непосредственному изучению. Этому способствуют извержения вулканов, доносящие до нас обломки пород верхней мантии, заключенные в излившейся магме – лавовых потоках. Такая же картина наблюдается в алмазоносных трубках взрыва, глубина возникновения которых соответствует 150–200 км. Помимо указанных прямых методов в изучении веществ литосферы широко применяются оптические методы и другие, физические и химические исследования – рентгеноструктурные, спектро-графические и др. При этом широко используются математические методы на основе ЭВМ для оценки достоверности химических и спектральных анализов, построения рациональных классификаций горных пород и минералов и др. В последние десятилетия применяются, в том числе и с помощью ЭВМ, экспериментальные методы, позволяющие моделировать геологические процессы; искусственно получать различные минералы, горные породы; воссоздавать огромные давления и температуры и непосредственно наблюдать за поведением вещества в этих условиях; прогнозировать движение литосферных плит и даже, в какой-то степени, представить облик поверхности нашей планеты в будущие миллионы лет.
Следующим направлением геологической науки является динамическая геология, изучающая разнообразные геологические процессы, формы рельефа земной поверхности, взаимоотношения различных по генезису горных пород, характер их залегания и деформации. Известно, что в ходе геологического развития происходили многократные изменения состава, состояния вещества, облика поверхности Земли и строения земной коры. Эти преобразования связаны с различными геологическими процессами и их взаимодействием. Среди них выделяются две группы: 1) эндогенные (греч. "эндос" - внутри), или внутренние, связанные с тепловым воздействием Земли, напряжениями, возникающими в ее недрах, с гравитационной энергией и ее неравномерным распределением; 2) экзогенные (греч. "экзос" - снаружи, внешний), или внешние, вызывающие существенные изменения в поверхностной и приповерхностной частях земной коры. Эти изменения связаны с лучистой энергией Солнца, силой тяжести, непрерывным перемещением водных и воздушных масс, циркуляцией воды на поверхности и внутри земной коры, с жизнедеятельностью организмов и другими факторами. Все экзогенные процессы тесно связаны с эндогенными, что отражает сложность и единство сил, действующих внутри Земли и на ее поверхности.
В область динамической геологии входит геотектоника (греч. "тектос" - строитель, структура, строение) – наука, изучающая структуру земной коры и литосферы и их эволюцию во времени и пространстве. Частные ветви геотектоники составляют: структурная геология, занимающаяся формами залегания горных пород; тектонофизика, изучающая физические основы деформации горных пород; региональная геотектоника, предметом изучения которой служит структура и ее развитие в пределах отдельных крупных регионов земной коры. Важными разделами динамической геологии являются сейсмология (греч. "сейсмос" - сотрясение) - наука о землетрясе-ниях и вулканология, занимающаяся современными вулканическими процессами.
История геологического развития земной коры и Земли в целом является предметом изучения исторической геологии, в состав которой входит стратиграфия (греч. "стратум" - слой), занимающаяся последова-тельностью формирования толщ горных пород и расчленением их на различные подразделения, а также палеогеография (греч. "паляйос" - древний), изучающая физико-географические обстановки на поверхности Земли в геологическом прошлом, и палеотектоника, реконструирующая древние структурные элементы земной коры. Расчленение толщ горных пород и установление относительного геологического возраста слоев невозможны без изучения ископаемых органических остатков, которым занимается палеонтология, тесно связанная как с биологией, так и с геологией. Следует подчеркнуть, что важной геологической задачей является изучение геологического строения и развития определенных участков земной коры, именуемых регионами и обладающих какими-то общими чертами структуры и эволюции. Этим занимается обычно региональная геология, которая практически использует все перечисленные ветви геологической науки, а последние, взаимодействуя между собой, дополняют друг друга, что демонстрирует их тесную связь и неразрывность. При региональных исследованиях широко используются дистанционные методы, когда наблюдения осуществляются с вертолетов, самолетов и с искусственных спутников Земли.
Косвенные методы познания, в основном глубинного строения земной коры и Земли в целом, широко используются геофизикой - наукой, основанной на физических методах исследования. Благодаря различным физическим полям, применяемым в подобных исследованиях, выделяются магнитометрические, гравиметрические, электрометрические, сейсмометрические и ряд других методов изучения геологической структуры. Геофизика тесно связана с физикой, математикой и геологией.
Одна из важнейших задач геологии – прогнозирование залежей минерального сырья, составляющего основу экономической мощи государства. Этим занимается наука о месторождениях полезных ископаемых, в сферу которой входят как рудные и нерудные ископаемые, так и горючие – нефть, газ, уголь, горючие сланцы. Не менее важным полезным ископаемым в наши дни является вода, особенно подземная, происхождением, условиями залегания, составом и закономерностями движений которой занимается наука гидрогеология (греч. "гидер" - вода), связанная как с химией, так и с физикой и, конечно, с геологией.
Важное значение имеет инженерная геология - наука, исследующая земную кору в качестве среды жизни и разнообразной деятельности человека. Возникнув, как прикладная ветвь геологии, занимающаяся изучением геологических условий строительства инженерных сооружений, эта наука в наши дни решает важные проблемы, связанные с воздействием человека на литосферу и окружающую среду. Инженерная геология взаимодействует с физикой, химией, математикой и механикой, с одной стороны, и с различными дисциплинами геологии – с другой, с горным делом и строительством – с третьей. За последнее время оформилась как самостоятельная наука геокриология (греч. "криос" – холод, лед), изучающая процессы в областях развития многолетнемерзлых горных пород "вечной мерзлоты", занимающих почти 50% территории РФ. Геокриология тесно связана с инженерной геологией.
С начала освоения космического пространства возникла космическая геология,или геология планет. Освоение океанских и морских глубин привело к появлению морской геологии, значение которой быстро возрастает в связи с тем, что уже сейчас почти треть добываемой в мире нефти приходится на дно акваторий морей и океанов.
Разработка теоретических проблем геологии сочетается с решением ряда народнохозяйственных задач: 1) поиск и открытия новых месторождений различных полезных ископаемых, являющихся основной базой промышленности и сельского хозяйства; 2) изучение и определение ресурсов подземных вод, необходимых для питьевого и промышленного водоснабжения, а также мелиорации земель; 3) инженерно-геологическое обоснование проектов возводимых крупных сооружений и научный прогноз изменения условий после окончания их строительства; 4) охрана и рациональное использование недр Земли.
Познание всех закономерностей эволюции Земли, ее происхождения и развития исключительно важно в контексте общего материалистического понимания природы, в тех философских построениях, которые отражают единство мира. В этом заключается общенаучное значение геологии.
В основу данного учебного пособия положен курс геологии, читаемый на геологическом факультете МГУ – "Короновский Н.В., Якушова А.Ф. Основы геологии. Учебное издание. М., Высшая школа,1991". Из курса удалена глава "Геологические процессы в областях распространения многолетнемерзлых горных пород", сокращены главы, посвященные истории развития Земли и добавлены некоторые современные сведения.
Часть 1.
ОСНОВНЫЕ ДАННЫЕ О ЗЕМЛЕ
И ЗЕМНОЙ КОРЕ
|
Земля, имея форму геоида – эквипотенциальной поверхности, сила тяжести к которой повсеместно направлена перпендикулярно, обладает неоднородностью физических свойств и дифференцированностью состава сферических оболочек: земной коры, мантии, внешнего и внутреннего ядра. Земная кора и верхняя часть верхней мантии, образующие твердую литосферу, подстилаются пластичной астеносферой, играющей важную роль в глубинных геологических процессах. Химический состав Земли близок к среднему химическому составу метеоритов, а состав сферических оболочек резко неоднороден и изменяется с глубиной.
Глава 1.
ФОРМА, РАЗМЕРЫ И СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ
Форма и размеры земли
Земля одна из девяти планет, вращающихся вокруг Солнца. Первые представления о формах и размерах Земли появились еще в глубокой древности. Античные мыслители (Пифагор – V в. до н.э., Аристотель – III в. до н.э. и др.) высказывали мысль, что наша планета имеет шарообразную форму.
Геодезические и астрономические исследования последующих столетий дали возможность судить о действительной форме Земли и ее размерах. Известно, что формирование Земли происходило под действием двух сил - силы взаимного притяжения частиц ее массы и центробежной силы, обусловленной вращением планеты вокруг своей оси. Равнодействующей обеих названных сил является сила тяжести, выражаемая в ускорении, которое приобретает каждое тело, находящееся у поверхности Земли. На рубеже XVII и XVIII вв. впервые Ньютон теоретически обосновал
|
| Рис. 1.1.Эллипсоид вращения |
положение о том, что под воздействием силы тяжести Земля должна иметь сжатие в направлении оси вращения и, следовательно, ее форма представляет эллипсоид вращения или сфероид. Степень сжатия зависит от угловой скорости вращения. Чем быстрее вращается тело, тем больше оно сплющивается у полюсов. На рис. 1.1, изображающем эллипсоид вращения, выражена большая экваториальная ось (ЗОВ) и малая полярная ось (СОЮ).
Величины а = ЗОВ/2 и в = СОЮ/2 соответствуют полуосям эллипсоида. Сжатие эллипсоида будет выражено ( а - в)/а. Разница полярного и экваториального радиусов составляет 21 км. Детальными последующими измерениями, особенно новыми методами исследования с искусственных спутников, было показано, что Земля сжата не только на полюсах, но также несколько и по экватору (наибольший и наименьший радиусы по экватору отличаются на 210 м), т.е. Земля является не двухосным, а трехосным эллипсоидом. Кроме того, расчетами Т. Д. Жонгловича и С. И. Тропининой показана несиммет- ричность Земли по отношению к экватору: южный полюс расположен ближе к экватору, чем северный.
В связи с расчленением рельефа (наличием высоких гор и глубоких впадин) действительная форма Земли является более сложной, чем трехосный эллипсоид. Наиболее высокая точка на Земле - гора Джомолунгма в Гималаях - достигает высоты 8848м. Наибольшая глубина 11034 м обнаружена в Марианской впадине. Таким образом, наибольшая амплитуда рельефа земной поверхности составляет немногим менее 20 км. Учитывая эти особенности, немецкий физик Листинг в 1873 г. фигуру Земли назвал геоидом, что дословно обозначает "землеподобный".
Геоид – некоторая вообража-емая уровенная поверхность, которая определяется тем, что направление силы тяжести к ней всюду перпендикулярно. Эта поверхность совпадает с уровнем воды в Мировом океане, который мысленно проводится под континентами. Это та поверхность, от которой производится отсчет высот рельефа. Поверхность геоида приближается к поверхности трехосного эллипсоида, отклоняясь от него местами на величину 100–150 м (повышаясь на материках и понижаясь на океанах, рис. 1.2.), что, по-видимому, связано с плотностными неоднородностями масс в Земле и появляющимися из-за этого аномалиями силы тяжести.
В Советском Союзе в настоящее время принимается эллипсоид Ф. Н. Красовского и его учеников (А. А. Изотова и др.), основные параметры которого подтверждаются современными исследованиями и с орбитальных станций. По этим данным экваториальный радиус равен 6378,245 км, полярный радиус - 6356,863 км, полярное сжатие - 1/298,25. Объем Земли составляет 1,083 • 1012 км3, а масса - 6 • 1027 г. Ускорение силы тяжести на полюсе - 983 см/с2, на экваторе - 978 см/с2.Площадь поверхности Земли около 510 млн. км2, из которых 70,8% представляет Мировой океан и 29,2% – суша. В распределении океанов и материков наблюдается определенная дисимметрия. В Северном полушарии это соотношение составляет 61 и 39%, в Южном – 81 и 19%.
Внутреннее строение земли
Изучение внутреннего строения Земли производится различными методами. Геологические методы, основанные на изучении естественных обнажений горных пород, разрезов шахт и рудников, кернов глубоких буровых скважин, дают возможность судить о строении приповерхностной части земной коры. Глубина известных пробуренных скважин достигает 7,5–9,5 км и только одна в мире опытная скважина, заложенная на Кольском полуострове, уже достигла глубины более 12 км при проектной глубине до 15 км. В вулканических областях по продуктам извержения вулканов можно судить о составе вещества на глубинах 50–100 км.
В целом же глубинное внутреннее строение Земли изучается главным образом геофизическими методами: сейсмическим, гравиметрическим, магнитометрическим и др. Одним из важнейших методов является сейсмический (греч. "сейсмос" - трясение) метод, основанный на изучении естественных землетрясений и "искусственных землетрясений", вызываемых взрывами или ударными вибрационными воздействиями на земную кору.
Очаги землетрясений располагаются на различных глубинах от приповерхностных (около 10 км) до самых глубоких (до 700 км), прослеженных в разломных зонах по окраинам Тихого океана. Возникающие в очаге сейсмические волны как бы просвечивают Землю и дают представление о той среде, через которую они проходят. В очаге (или фокусе) возникают два главных типа волн:
1) самые быстрые продольные Р -волны (т.е. первичные - primary);
2) более медленные поперечные S -волны (т.е. вторичные - secondary).
При распространении Р -волн горные породы испытывают сжатие и растяжение (смещение частиц среды вдоль направления волны). Р -волны проходят в твердых и жидких телах земных недр. Поперечные S -волны распространяются только в твердых телах, и с их распространением связаны колебания горных пород под прямым углом к направлению распространения волны (рис. 1.3). При прохождении поперечных волн упругие породы подвергаются деформации сдвига и кручения.
|
| Рис. 1.3. Два типа объемных сейсмических волн (по Б. Болту): а - сжатие - растяжение, б - удвоенная амплитуда |
|
| Рис. 1.4. Отраженные и преломленные сейсмические волны в различных средах |
Кроме того, выделяются поверхностные L -волны (т.е. длинные - long), которые отличаются сложными синусоидаль-ными колебаниями вдоль или около земной по-верхности. Регистрация прихода сейсмических волн производится на специальных сейсми-ческих станциях, обору-дованных записывающи-ми приборами – сейсмографами, располо-женными на разных расстояниях от очага. Такое расположение сейсмостанций позволяет судить о скорости рас-пространения колебаний на разных глубинах, поскольку к более отдаленным станциям приходят волны, прошедшие через более глубокие слои Земли. Запись сейсмографом прихода волн называется сейсмограммой.
Реальные скорости сейс-мических воли зависят от упругих свойств и плотности горных пород, через которые они проходят. Изменения скорости сейсмических волн отчетливо показывают на неоднородность и расслоенность Земли. О раз-личных слоях и состоянии веществ, их слагающих, указы-вают преломленные и отражен-ные волны от их граничных поверхностей (рис. 1.4).
На основании скорости распространения сейсмических волн австралийский сейсмолог К. Буллен разделил Землю на ряд зон, дал им буквенные обозначения в определенных усредненных интервалах глубин, которые используются с некоторыми уточнениями до настоящего времени (рис. 1.5).
|
| Рис. 1.5. Строение Земли. Оболочки Земли, выделенные по распространению сейсмических волн |
Выделяют три главные области Земли:
1. Земная кора (слой А) – верхняя оболочка Земли, мощность которой изменяется от 6–7 км под глубокими частями океанов до 35–40 км под равнинными платформенными территориями кон-тинентов, до 50–70(75) км под горными сооружениями (наибольшие под Гималаями и Андами).
2. Мантия Земли, распространя-ющаяся до глубин 2900 км. В ее пределах по сейсмическим данным выделяются: верхняя мантия – слой В глубиной до 400 км и С – до 800–1000 км (некоторые исследователи слой С называют средней мантией); нижняя мантия – слой D до глубины 2700 с переходным слоем D 1 – от 2700 до 2900 км.
3. Ядро Земли, подразделяется: на внешнее ядро – слой Е в пределах глубин 2900–4980 км; переходную оболочку – слой F – от 4980 до 5120 км и внутреннее ядро – слой G до 6971 км.
Земная кора отделяется от слоя В верхней мантией достаточно резкой граничной скоростью. В 1909 г. югославский сейсмолог А. Мохоровичич при изучении балканских землетрясений впервые установил наличие этого раздела, носящего теперь его имя и принятого за нижнюю границу земной коры. Часто эту границу сокращенно называют границей Мохо или М. Второй резкий раздел совпадает с переходом от нижней мантии к внешнему ядру, где наблюдается скачкообразное падение скорости продольных волн с 13,6 до 8,1 км/с, а поперечные волны гасятся. Внезапное резкое уменьшение
1 По Б. Болту приведены следующие границы отдельных зон: основание слоя С – 670км, слоя D – 2885 км, слой F в интервале 4590–5155 км. Близкие данные в работе В. А. Жаркова.
скорости продольных волн и исчезновение поперечных волн во внешнем ядре свидетельствуют о необычайном состоянии вещества, отличающемся от твердой мантии.
Эта граница названа именем Б. Гутенберга. Третий раздел совпадает с основанием слоя F и внутренним ядром Земли (слой G).
Термодинамические условия
Плотность. Средняя плотность Земли составляет 5,52 г/см3. Горные породы, слагающие земную кору, отличаются малой плотностью. В осадочных породах плотность около 2,4–2,5 г/см3, в гранитах и большинстве метаморфических пород – 2,7–2,8 г/см3, в основных магматических породах – 2,9–3,0 г/см 3. Средняя плотность земной коры принимается около 2,8 г/см3. Сопоставление средней плотности земной коры с плотностью Земли указывает на то, что во внутренних оболочках – мантии и ядре, плотность должна быть значительно выше.
По имеющимся данным в кровле верхней мантии, ниже границы Мохо, плотность пород составляет 3,3–3,4 г/см 3, у нижней границы нижней ман-тии (глубина 2900 км) – примерно 5,5–5,7 г/см 3, ниже границы Гутенберга (верхняя граница внешнего ядра) – 9,7–10,0 г/см 3, затем повышается до 11,0–11,5 г/см 3, увеличиваясь во внутреннем ядре до 12,5–13,0 г/см3.
Давление. Расчеты давления на различных глубинах Земли в соответствии с указанными плотностями выражаются следующими значениями.
Ускорение силы тяжести. В ряде пунктов поверхности Земли геофизическим гравиметрическим методом выполнены измерения абсолютной величины силы тяжести с помощью гравиметров. Эти исследования позволяют выявить гравиметрические аномалии – области значительного увеличения или уменьшения силы тяжести. Увеличение силы тяжести обычно связано с присутствием более плотного вещества, уменьшение указывает на меньшую плотность. Что касается ускорения силы тяжести, то его величина различна. На поверхности оно в среднем составляет 982 см/с2 (при 983 см/с2 - на полюсе и 978 см/с2- на экваторе), с глубиной сначала увеличивается, затем быстро падает. По данным В. А. Магницкого, максимальное значение ускорения силы тяжести достигает в основании нижней мантии у границы с внешним ядром 1037 см/с2. В пределах ядра Земли ускорение силы тяжести начинает значительно уменьшаться, доходя до 452 см/с2 в промежуточном слое F, до 126 см/с2 на глубине 6000 км и в центре до 0.
Магнетизм. Земля действует как гигантский магнит с силовым полем вокруг. Сведения о распределении магнитного поля Земли на ее поверхности и околоземном пространстве дают наземные, морские и аэромагнитные съемки, а также измерения, производимые на низколетящих искусственных спутниках Земли.
Геомагнитное поле дипольное, магнитные полюсы Земли не совпадают с географическими, т.е. истинными - северным и южным. Между магнитным и географическим полюсами образуется некоторый угол (около 11,5o), называемый магнитным склонением. Различают также магнитное наклонение, определяемое как угол между магнитными силовыми линиями и горизонтальной плоскостью. Происхождение постоянного магнитного поля Земли связывают с действием сложной системы электрических токов, возникающих при вращении Земли и сопровождающих турбулентную конвекцию (перемещение) в жидком внешнем ядре. Таким образом, Земля работает как динамомашина, в которой механическая энергия этой конвекционной системы генерирует электрические токи и связанный с ними магнетизм.
