 |
Плотность земли, силы гравитации
|
|
|
|
Земля - объект исследований геофизики
Целью геофизических исследований является изучение строения и свойств земной коры, поиск и изучение имеющихся в них скоплений химических и жидких веществ, называемых полезными ископаемыми, которые используются в организации и поддержании жизни людей на земле. Полезные ископаемые обычно сосредотачиваются на ограниченных по размеру территориях на земле в пределах ее суши, прибрежных зонах океанов и морей, и в морских акваториях и рассматриваются как месторождения. таким образом задачей геофизических исследований является сбор первичных данных, обработка их и формирование информационного обеспечения при выполнении разведки и разработке месторождений полезных ископаемых.
Геофизические исследования - это комплекс технологий, основанных на изучении физических полей разной природы, возникающих в толщах горных пород и несущих в себе информацию о свойствах пород. Поэтому понимание строения земли, условий образования и свойств слагающих землю горных пород являются основой при научном обосновании методов и технологий выполнения геофизических исследований.
Месторождения полезных ископаемых, как правило, приурочены к земной коре и ее верхней части - осадочному чехлу. Поэтому основное внимание уделяется изучению этой части земли. Исследуются принципы образования пород, их свойства. Вместе с тем, характеристики физических полей, которые изучаются методами разведочной геофизики, определяются всем спектром закономерностей земли и окружающего пространства.
Общие сведения о земле
Земля - объект космического пространства. Это третья планета от Солнца и пятая из крупнейших планет в Солнечной системе. Как считают, Солнечная система сформировалась из спиралевидного газово-пылевого облака около 5 млрд. лет назад.
|
|
|
Земля богата природными ресурсами, имеет в целом благоприятный климат, является единственной планетой Солнечной системы, на которой существует жизнь.
В недрах Земли протекают активные геодинамические процессы, проявляющиеся в наращивании океанической коры и последующем ее раздвижении, дрейфе материков, землетрясениях, вулканических извержениях и др.
Земля вращается вокруг своей оси. Хотя это движение и не заметно на поверхности, точка на экваторе перемещается со скоростью около 1600 км/ч. Земля также обращается вокруг Солнца по орбите протяженностью около 958 млн. км со средней скоростью 29,8 км/с, совершая полный оборот примерно за год (365,242 средних солнечных суток).
Средний радиус земли 6367 км;
Строение земли - вид на фото из космоса, схема внутреннего строения.
Строение земли
Ядро - это центральная часть земного земли как. Оно пока является загадкой для науки. Уверенно можно говорить лишь о его радиусе - около 3480 км. Ученые считают, что внешняя часть ядра находится в расплавленном жидком состоянии, а внутренняя - в твердом. Предполагают также, что ядро состоит из вещества, похожего на металлы (смеси железа и кремния, железа и никеля, есть и другие предположения). Температура в ядре достигает 5 000о С, а давление составляет около 3,7 млн. атм. Плотность вещества достигает 17 г/см3.
Мантия - внутренняя оболочка, покрывающая ядро (с греческого "мантия" - "покрывало"). Ее толщина составляет около 3500 км. Мантия занимает более 80% объема Земли. Предполагают, что, в мантии по направлению к центру Земли температура возрастает от 100-300 до 2500 оС. Давление возрастает от 1000-2000 атм в верхней части на контакте с земной корой до 1.5 млн. атм на границе с ядром. При таких высокой температуре и давлении вещество мантии наиболее вероятно является твердым. Однако предполагают, что в верхней часть мантии на глубинах до 300 км от поверхности Земли размещается частично расплавленный слой - астеносфера. Он сравнительно мягкий и пластичный. Это вещество мантии способно медленно течь и таким способом перемещаться. Скорость перемещения очень невелика - несколько сантиметров в год. Однако это играет решающую роль в движениях земной коры.
|
|
|
Земная кора - верхний твердый слой нашей планеты. По сравнению с ядром и мантией, она очень тонкая. Толща земной коры наибольшая под горами - 70 км, под равнинами она составляет 35-40 км, а под океанами около 5-10 км. Земная кора занимает только 1 % объема земли (64 км/6378 км=0.01 = 1 %. Для сравнения, яйцо курицы имеет радиус 20 мм, а скорлупу толщиной 0.1-0.2 мм. Расчеты (0.1/20=0.005-0.01 = 1 %) показывают что ее доля в объеме яйца выше или соизмерима, чем кора по отношению к земле.
Земная кора состоит из двух слоев:
- собственно коры, которая образовалась в результате остывания первичного вещества, из которого образовалась земля;
- осадочного чехла, который возник в результате непрерывного протекания в течение всего существования земли (более 4,5 млрд. лет)
а) магматического процесса (эндогенного и экзогенного вулканизма);
б) осадочного процесса (разрушения, переноса, осаждения, переотложения и вторичного преобразования первичных пород);
в) метаморфического процесса (длительных преобразований).
Осадочный чехол является предметом изучения методами геологии и геофизики в связи с разведкой и разработкой полезных ископаемых.
Земная кора вместе с осадочным чехлом определяют форму внешней поверхности земли. В областях разломов земная кора раздроблена или смята в складки (в горных поясах). Под влиянием притяжения Солнца, Луны и других планет на протяжении года конфигурация поверхности Земли слегка меняются, а также возникают приливы. На самой Земле происходит медленный дрейф материков, постепенно меняется соотношение суши и океанов, а в процессе постоянной эволюции жизни происходит преобразование окружающей среды.
Земная кора вместе с верхней мантией образуют оболочку - литосферу. Она является единственным твердым ("каменным") слоем, который будто плавает в пластической астеносфере. Толщина литосферы разная: под океанами - около 50 км, на материках - до 200 км.
|
|
|
Физические характеристики земли в совокупности с окружающей средой, которые определяют землю как объект жизнедеятельности людей, живого и растительного мира, определяются тремя компонентами.
- твердой - литосферой земли;
- жидкой - гидросферой земли (океаны, моря, озера, реки)
- газообразной - атмосферой.
Жизнь на Земле сконцентрирована в зоне контакта литосферы, гидросферы и атмосферы. Эта зона в совокупности со всеми живыми организмами, называется биосферой. За пределами биосферы жизнь может существовать лишь при наличии специальных систем жизнеобеспечения, например космических кораблей.
Форма и размер земли
Примерные очертания и размеры Земли известны уже более 2000 лет. Еще в 3 в. до н.э. греческий ученый Эратосфен довольно точно рассчитал радиус Земли.
Считается, что Земля формировалась в результате совместного действия гравитационных и центробежных сил. Равнодействующая этих сил - сила тяжести — выражается в ускорении, которое приобретает каждое тело у поверхности Земли.
И. Ньютон теоретически обосновал положение, согласно которому Земля должна быть сжата в направлении оси вращения и принять форму эллипсоида. Позднее было обнаружено, что Земля сжата не только на полюсах, но в небольшой степени и по экватору. Наибольший и наименьший радиусы экватора различаются на 213 м, т.е. Земля является трехосным эллипсоидом. Но представления о Земле как об эллипсоиде также верны лишь в первом приближении.
Наиболее близок к современной фигуре Земли геоид - воображаемая уровенная поверхность, по отношению к которой вектор силы тяжести повсеместно направлен перпендикулярно.На площади акватории океанов геоид совпадает с поверхностью воды, находящейся в полном покое. Расхождение между геоидом и эллипсоидом местами достигает ±130 м, что объясняется неравномерным распределением масс разной плотности в теле Земли, влияющим на изменение силы тяжести, следовательно, и на форму геоида.
|
|
|
Неравенство радиусов Земли частично обусловлено вращением планеты, в результате которого возникает центробежная сила, максимальная на экваторе и ослабевающая по направлению к полюсам. Сила земного притяжения, или гравитация компенсирует центробежные силы.
В настоящее время принято, что Земля представляет собой трехосный эллипсоидный сфероид, сплющенный у полюсов. Для создания геодезической основы карт и других целей в России используется эллипсоид Красовского со следующими основными параметрами:
- экваториальный радиус 6378,245 км;
- полярный радиус 6356,863 км;
- полярное сжатие 1/298,25;
- площадь поверхности Земли около 510 млн. км2,, из них 361 млн. км2 приходится на водную поверхность морей и океанов (70.8 %);
Объем земли составляет 1,083 1012 км3.
Масса Земли 5,976 1027 г. Для сравнения масса Юпитера больше примерно в 318 раз, Солнца - в 333 тыс. раз. Масса Земли превышает массу Луны в 81,8 раза.
Возраст земли
| Эры | Периоды | Начало периода, млн. лет | Продолжительность, млн. лет |
| Четвертичный | Голоцен | 0.01 | |
| Плейстоцен | 1.5-2 | 1.5-1.9 | |
| Третичный | Плиоцен | ||
| Миоцен | |||
| Олигоцен | |||
| Эоцен | |||
| Палеоцен | |||
| Мезозой | Мел | ||
| Юра | |||
| Триас | |||
| Палеозой | Пермь | ||
| Карбон | |||
| Девон | |||
| Силур | |||
| Ордовик | |||
| Кембрий | |||
| Докембрий | Самые древние породы 3400 Метаморфические породы, обнажающиеся на западном побережье Гренландии. Считают, что им около 3,7 миллиарда лет. Кроме того, метаморфические породы возрастом 3,6— 3,7 миллиарда лет найдены на территории штата Миннесота в США. Эти породы указывают, что 3,7 миллиарда лет назад кора, без сомнения, уже существовала |
Плотность земли, силы гравитации
Плотность Земли варьирует от незначительной в верхних слоях атмосферы до исключительно высокой в центре планеты. Плотность воды изменяется в диапазоне 1-1.2 г/см3. Плотность воздуха у земной поверхности в 1000 раз меньше плотности воды, а в верхних слоях атмосферы она еще меньше.
Зная массу и объем земли, можно рассчитать ее среднюю плотность. Она примерно равна 5.52 г/см3, т.е. 5.5 раза больше плотности воды.
Плотность земли изменяется в широких пределах как вертикали, так и по ее поверхности и определяется составляющими ее химическими элементами, образуемыми ими химическими соединениями, из которых формируются твердые растворы - минералы, а смеси последних образуют породы.
- в земной коре и осадочной толще плотность пород зависит от литологии и изменяется в диапазоне 1.8 - 2.9 г/см3.
|
|
|
- плотность вещества мантии изменяется от 3 до 5 г/см3,
- плотность вещества в пределах ядра от 8 до 15 г/см3.
- в центре Земли плотность среды достигает 17 г/см3.
Плотность минералов изменяется определяется их химическим составом и видом кристаллическим строением. Янтарь имеет плотность 1.6 г/см3, золото 13 г/см3. Большинство породообразующих минералов, составляющих основную массу пород (до 98 %) имеет плотность 2.6-2.8 г/см3.
Изменяющаяся плотность минералов определяет изменение гравитационных сил - сил земного притяжения. Рассчитано, что ускорение силы тяжести изменяется от 9,82 м/с2 у поверхности до максимального значения 10,37 м/с2 в основании нижней мантии (2900 км). В ядре ускорение силы тяжести быстро падает, доходя на глубине около 5000 км до 4,52 м/с2, далее на глубине 6000 км падая до 1,26 м/с2, а в центре - до нуля.
Сила земного притяжения уменьшается с высотой. Этим обстоятельством объясняется испытываемое космонавтами состояние невесомости. Из-за вращения Земли и действия центробежной силы гравитация на ее поверхности несколько уменьшается.
Силой земного притяжения обусловлено ускорение свободного падения предметов, величина которого на поверхности земли составляет примерно 9,8 м/с2.
Неоднородность земной поверхности предопределяет различия гравитации в разных районах. Измерения ускорения силы тяжести позволяют получать информацию о внутреннем строении земли на ее локальных участках. Это служит поисковым признаком месторождений полезных ископаемых. Изучение закономерностей изменения ускорений силы тяжести и выявление внутреннего строения земли по этим данным является предметом геофизических исследований методом гравиразведки.
Давление
Атмосфера оказывает давление на земную поверхность на уровне моря с силой 1 кг/см2 (давление в одну атмосферу). Давление уменьшается с высотой. На высоте около 8 км оно понижается примерно на две трети.
Внутри Земли давление быстро возрастает: на границе ядра оно составляет 1,5 млн. атмосфер, а в его центре доходит до 3,7 млн. атм.
Давление в осадочной толще определяется весом вышележащего слоя пород и называется горным. Оно оценивается приближенно по формуле P =0.1*2.2* h, где 2.2 г/см3 - средняя плотность осадочных пород, h - глубина, м. Например, на глубине 1000 м горное давление равно 220 атм (около 22 МПа).
Давление водного столба в скважине на заданной глубине можно рассчитать по формуле P =0.1* h, где 1 г/см3 - плотность воды. На глубине 1000 м давление жидкости внутри порового пространства породы составляет равно 100 атм (около 10 МПа). Разность (220-100) =120 атм определяет давление, которое испытывает скелет породы. Это давление называется эффективным напряжением скелета. За счет этого давления происходит уплотнение пород.
Изменение давления внутри порового пространства вследствие разной плотности флюидов, гравитационных, капиллярных и адсорбционных сил, высоты залегания определяют движение флюидов - нефти, газа, воды в залежах нефтяных и газовых месторождений. Изучение этих явлений являются предметом геофизики и гидродинамики, обоснования технологии добычи углеводородов и воды из недр.
Лекция 3
Температура
Температура на земле сильно изменяется. Например, на поверхности земли рекордно высокая температура +58° C была зарегистрирована в Эль-Азизии (Ливия) 13 сентября 1922, а рекордно низкая, -89,2° С, на станции Восток близ Южного полюса в Антарктиде 21 июля 1983.
С глубиной на протяжении первых километров от земной поверхности температура повышается на 3° C каждые 100 м, далее этот процесс замедляется.
Расположенное в центре Земли ядро раскалено до температуры 5000-6000° C.
В приповерхностном слое атмосферы средняя температура воздуха составляет 15° C, в тропосфере (нижней основной Земле части атмосферы) она постепенно понижается, а выше (начиная со стратосферы) меняется в широких пределах в зависимости от абсолютной высоты.
Оболочка Земли, в пределах которой температура обычно ниже 0° С, называется криосферой. В тропиках она начинается на высоте около 4500 м, в высоких широтах (к северу и югу от 60-70°) - от уровня моря. В приполярных районах на материках криосфера может простираться на несколько десятков метров ниже земной поверхности, формируя горизонт многолетней мерзлоты.
|
|
|
