 |
Литосфера и внутреннее строение Земли
|
|
|
|
Во внутреннем строении Земли выделяют три основных слоя: земную кору, мантию и ядро (табл. 5).
Земная кора располагается в среднем до глубины 35 км (до 5— 15 км под океанами и до 35—70 км под континентами). В состав земной коры входят все известные химические элементы. Преобладают О (49,1 %), Si (26 %), AI (7,4 %), Fe (4,2 %), Са (3,3 %), Na (2,4 %), К (2,4 %), Мg (2,4 %).
Мантия располагается между земной корой и ядром и распространяется до глубины 2900 км. Здесь преобладают О, Si, Fe, Mg, Ni. Внутри мантии с глубины 50 — 100 км под океанами и 100—250 км под континентами начинается слой вещества по состоянию близкого к плавлению, так называемая астеносфера. Земная кора вместе с верхним твердым слоем мантии над астеносферой называется литосферой. Литосфера — внешняя твердая оболочка земного шара. Это относительно хрупкая оболочка. Она разбита глубинными разломами на крупные блоки — литосферные плиты, которые медленно перемещаются по астеносфере в горизонтальном направлении.
Таблица – 5
Характеристики оболочек Земли (Г.В. Войткевич, 1996)
| Оболочка | Интервал глубин, км | Интервал плотности, г/см3 | Доля от объема Земли, % | Масса | ||
| 1025г | % | |||||
| Кора | (А) | 0-33 | 2,7-3,0 | 1,55 | 0,8 | |
| Мантия | (В) (С) (П) | 33-400 400-1000 1000-2900 | 3,32-3,65 3,65-4,68 4,68-5,69 | 16,67 21,31 44,28 | 10,4 16,4 41,0 | |
| Ядро | (Е) (F) (G) | 2900-5000 5000-5100 5100-6310 | 9,40-11,5 11,5-12,0 12,0-12,3 | 15,16 | 31,5 |
Ядро располагается ниже мантии на глубине от 2900 км до 6371 км. Оно состоит из железа - Fe и никеля - Ni.
Строение земной коры. Земная кора сложена из горных пород, которые, в свою очередь, состоят из минералов. Минерал — природное тело однородного химического состава, обладающее во всей своей массе одинаковыми физическими свойствами. Горные породы — геологические образования, состоящие из минералов и обладающие относительно постоянными химическим составом и свойствами.
|
|
|
По способу образования горные породы делят на магматические, метаморфические и осадочные.
Магматические породы образуются из жидкого силикатного расплава магмы при ее остывании в недрах Земли или на ее поверхности. В зависимости от места ее остывания магматические породы разделяют на интрузивные (глубинные) и эффузивные (излившиеся). К магматическим породам относят гранит, габбро, базальт и т.д.
Метаморфические породы образуются из магматических и осадочных пород под влиянием процессов метаморфизма — под действием высоких температур, давлений и активных флюидов (горячих газов и растворов) в средних слоях литосферы. К метаморфическим породам относят сланцы, гнейс, мрамор и т.д.
Осадочные породы образуются в поверхностной части земной коры в результате разрушения, переотложения и преобразования на поверхности Земли и на дне водоемов ранее существовавших пород. Они делятся на механические (обломочные), химические (хемогенные) и органические (органогенные). Механические (обломочные) осадочные породы образуются в результате механического разрушения магматических и метаморфических пород. В зависимости от размера частиц, слагающих породу, выделяют грубообломочные, средне-обломочные (песчаные), пылеватые и глинистые породы. Химические осадочные породы образуются за счет выпадения осадка при перенасыщении растворов. К ним относятся известняк, доломит, каменная соль и т.д. Органические (биохимические) осадочные породы образуются в результате жизнедеятельности организмов. К ним относятся органогенные известняки, мел, торф, нефть, уголь и т.д.
Доля различных горных пород в земной коре неодинакова. Более 70 % приходится на магматические породы, около 17 % — на метаморфические и лишь чуть больше 12 % — на осадочные.
|
|
|
Земная кора неодинакова по составу, строению и мощности. Различают континентальную, океаническую и промежуточную коры. Континентальная (материковая) кора покрывает третью часть земного шара, она присуща континентам, включая их подводные окраины, имеет толщину 35-70 км и состоит из 3 слоев: осадочного, гранитного и базальтового. Океаническая кора располагается под океанами, имеет толщину 5-8 км и состоит из трех слоев: осадочного, базальтового и габбро-серпентинитового. Промежуточная (переходная) кора имеет черты как континентальной, так и океанической коры.
Самыми крупными структурными элементами земной коры являются материки, включая их подводные окраины, и океаны. Основная их часть принадлежит спокойным участкам (платформам), меньшая — подвижным участкам (геосинклиналям).
2 .3 Эволюция планеты Земля
Земля, как планета солнечной системы, как небесное тело, сформировалось около 4.7 млрд. лет назад, после взрыва сверхновой звезды - протоСолнца, из дисковидного вращающегося протопланетного газово-пылевого облака. Одни исследователи (В. Гольдшмидт, Г. Джеффрис, В.Г. Фесенков и др.) считают, что протопланетное облако было горячим, другие исследователи (В.И. Вернадский, О.Ю. Шмидт, Р.Руби, А.П. Виноградов и др.) доказывают, что оно было холодным. Земля вращается вокруг Солнца со скоростью около 30 км в секунду. Эта скорость вращения вещества сохранялась и в протопланетном газово-пылевом облаке. Под действием центробежных сил твердые частицы этого облака сталкивались и "слипались", образуя сгусток, нарастающий как снежный ком. "Собирание", аккумуляция массы планеты до ее современных размеров вначале шло с очень большой скоростью. Ежечасно на Землю обрушивалось в среднем 10-15 млрд. тонн метеоритного вещества. По мере вычерпывания роя пылеватых частиц, в окрестностях земной орбиты, темпы роста земной массы замедлились. Это «собирание» — рост массы Земли происходит и сейчас. В настоящее время "прирост" массы Земли за счет космической пыли и метеоритов составляет около 100 млн. тонн в год.
Быстрое собирание и сжимание холодного вещества Земли, и радиоактивный распад элементов привел к расплавлению первичной геосферы. В результате так называемого "зонного плавления" к центру геосферы опустились тяжелые элементы, образовав сверхтяжелое ядро диаметром 7000 км. Температура и давление в ядре настолько велики, что любое вещество в нем переходит в металлическую фазу. Электронные оболочки атомов разрушаются и возникают гигантские кольцевые вихри электронов параллельные экватору. Эти кольцевые линии электронов формируют силовые линии постоянного магнитного поля нашей планеты, перпендикулярно направлению осевого вращения. Поэтому Земля представляет собой гигантский магнитный диполь — двуполюсной магнит. Это магнитное поле защищает Землю от потока заряженных частиц космического излучения, губительного для органической жизни. Когда через это поле все же прорываются потоки заряженных частиц во время усиления солнечной активности, на Земле разыгрываются магнитные бури, нарушается радиосвязь, вспыхивают полярные сияния.
|
|
|
Формирование ядер планет
Разделение вещества Земли по плотности — сложный процесс, который продолжается и в настоящее время. Наиболее вероятно, что он происходит на границе ядра и мантии, на глубине около 3 тыс.км. Здесь под влиянием энергии радиоактивного распада, тяжелое вещество нижней мантии как бы тонет и присоединяется к ядру, а более легкие поступают в верхние мантийные слои. Само вещество мантии очень плотное с повышенной вязкостью, в большей степени каменное, чем металлическое, потому что состоит в основном из силикатных материалов. Можно сказать, что Земля состоит из железо-никелевого ядра и мантии. Толстый слой силикатов, плохо проводящий тепло, препятствует, как и в данное время, оттоку тепла от разогретой внутренней части Земли. В связи с тем, что в верхней части мантии давление меньше, породы плавятся больше. Здесь плавятся породы с наинизшей точкой плавления, то есть плавление избирательное. Оно и создает самый верхний слой мантии называемый астеносферой. Астеносфера (от латинского — слабая сфера), имеет повышенную текучесть вещества, так как более расплавлена. Как только в земной коре образуется трещина, вещество слабой сферы изливается в виде магмы. Именно в верхней мантии лежат корни вулканов, здесь происходит преобразование вещества, а также разрядка и накопление энергии — процессы вызывающие вулканизм и землетрясения, подвижность и стабильность участков земной коры.
|
|
|
Поскольку магма образовывается лишь из некоторых минералов окружающей породы, то по составу она отличается от этой исходной породы. Ее состав приближается к базальтовому слою и вес намного меньше, чем у более глубоколежащих слоев мантии.
Более легкие массы образованной базальтовой магмы выходили на поверхность Земли, где остывали и затвердевали. По мере опускания тяжелых силикатов в более глубокие слои мантии и выхода большего количества базальтовой магмы на поверхность Земли постепенно образовалась земная кора, состоящая из базальтов и покрывающая всю Землю.
Таким образом, базальтовая кора, мантия и ядро являются продуктом избирательного (зонного) плавления. Это избирательное плавление представляло собой, по-видимому, первый процесс в длинной цепи процессов дифференциации первичной магмы и формирования горных пород, слагающих земную кору. Вторым процессом было химическое выветривание.
Поверхность Земли или земная кора — литосфера имеет толщину 35-70 км на континентах и 5-8 км под океанами. Она сформировалась в результате остывания поверхности геосферы, выноса на поверхность Земли легкоплавких веществ: базальтовой магмы, содержащей воду, растворенные газы, что привело к становлению базальтовой литосферы. Формирование базальтовой литосферы привело к усилению вулканической деятельности сопровождаемой выносом из недр азота, углекислого газа, водорода и паров воды.
Таким образом, видимо, создавалась атмосфера и гидросфера Земли, которая на ранних этапах целиком была вулканической. Она состояла из метана, водяного пара, аммиака, водорода, азота и некоторого количества окиси и двуокиси углерода. Те же элементы и вещества содержатся в газах, выделяемых современными вулканами. Свободного кислорода не было. Весь свободный кислород был связан в химических соединениях.
В начальный период истории Земли атмосфера и гидросфера из-за высокой температуры составляли единое целое — атмогидросферу, то есть не были разделены как в настоящее время. Затем в результате дальнейшего остывания, геохимических и геологических процессов, сформировался неглубокий Мировой океан, который постепенно увеличивался и приобрел современный объем.
Водяной пар конденсировался и выпадал в виде дождя, входя в соприкосновение с базальтовыми породами, растворяя соли, вынося частицы породы и продукты выветривания в понижения и формируя озера. Эти озера постепенно росли и сливались, образуя первичный океан.
|
|
|
Сочетание слабой гравитации с высокой температурой привело к тому, что большая часть летучих веществ была утрачена Землей и вскоре после образования планеты перекочевала в межпланетное пространство. При этом сильно возросло относительное обилие кислорода, связанного в нелетучих минералах — силикатах. Значительная же часть азота была утрачена, поскольку нитриды не столь стабильны и легче улетучиваются Углерода на нашей планете не более 0,034%..
В целом Земля напоминает в разрезе яйцо, лишенное скорлупы: земная кора = тонкая подскорлупная кожица; мантия = жидкий белок; ядро = желток.
Таким образом, разогревание первичной геосферы и ее последующее остывание привело к дифференциации вещества Земли на различные агрегатные состояния материи: раскаленное тяжелое металлическое ядро, расплавленную вязкую мантию, твердую литосферу, жидкую гидросферу и газообразную атмосферу.
Главным процессом в эволюции недр Земли была гравитационная дифференциация веществ различного веса, при которой более тяжелые вещества опускались вниз, к центру Земли, а более легкие поднимались наверх. В результате этого процесса Земля расслоилась на оболочки так, что более глубокие оболочки состоят из более тяжелых веществ.
У современной Земли этими оболочками являются, сверху в глубь:
1) атмосфера (5.3 • 1021 г воздуха = около 1/1000000 массы Земли);
2) гидросфера (1.46 • 1024 г воды = 1/4000 массы Земли);
3) земная кора (4.7 • 1025 г, 33 км средней толщины, = около 0.8% массы Земли);
4) мантия (83% объема и 65% массы Земли);
5) ядро (34% массы Земли).
Формирование подвижных оболочек Земли — атмосферы и гидросферы, привело к появлению процессов разрушения горных пород, слагающих твердую поверхность. На поверхностях Луны и Меркурия, где нет ни атмосферы и гидросферы, такого разрушения не происходит и кратеры, результат падения на их поверхность небесных тел, сохраняются очень продолжительное время.
Форма нашей планеты очень сложна из-за наличия на ней материков и океанов. Причем, сложность ее столь велика, что свести ее к какой-либо геометрической фигуре невозможно. Поэтому для моделирования и описания ее поверхности введено понятие "геоид". Это воображаемая поверхность воды в Мировом океане, перпендикулярная во всех точках по направлению отвеса (центру Земли). Центр Земли находится на глубине 6370 км от поверхности геоида.
В последние годы изучение фигуры Земли с помощью искусственных спутников показало, что она больше похожа на сердце. Ее так и назвали — кардиоид. В районе северной полярной оси планета выпукла, а в районе южной — вдавлена, вогнута. Причины возникновения такой формы еще не имеют удовлетворительного объяснения.
2.4 Круговорот вещества планеты. Принцип актуализма
С веществом Земли происходили и происходят три основных вида внутренних процессов:
1. Движение разогретого вещества, расплавленных горных пород (магмы), о котором мы знаем и наблюдаем в виде излияния лавы из вулкана.
2. Движение вещества твердых пород, о которых мы судим по результатам смещения одного большого массива породы вверх, вниз или вбок относительно другого.
3. Преобразование пород, находящихся глубоко под поверхностью Земли, под действием большого давления и высокой температуры.
Внешние процессы обусловлены двумя подвижными оболочками Земли — гидросферой и атмосферой. Воздух и вода создают среду, в которой химический обмен между горными породами и водой вызывает распад породы, ослабляя в ней внутренние связи, и способствуя ее разрушению. Это химическое взаимодействие происходит повсюду, где горная порода соприкасается с воздухом и называется химическим выветриванием. Воздух и вода постоянно находятся в движении. Перемещаясь по поверхности Земли, они вовлекают в движение разрушенные породы. Поскольку деятельность процессов разрушения горных пород контролируется силой тяжести, они переносят материал с более высоких участков Земли на более низкие. Рано или поздно продукты разрушения отлагаются в виде слоев, накапливающихся один поверх другого. Более ранние слои погребаются более поздними, и под силой тяжести и давления, образуют многокилометровые толщи плотных осадочных пород.
аккумуляция ← эрозия → осадки
↓↓ ↑↑ ↓↓
опускание и погребение ↑↑ осадочные породы
↓↓ ↑↑ ↓↓
метаморфизм ↑↑ метаморфические породы
↓↓ ↑↑ ↓↓
расплавление в магме → повторный выброс ← магматические породы
Рисунок 2. Схема круговорота вещества пород как непрерывно действующей системы:
слева — последовательность событий;
справа — последовательность изменений горных пород.
Магматические породы образуются при затвердевании жидкой магмы после выброса.
Метаморфические породы — преобразованные осадочные породы, которое происходит без расплавления, при сохранении твердого состояния породы.
На земной поверхности встречаются все три вида пород — осадочные, метаморфические и магматические. Они выходят на поверхность Земли в результате различных причин — вулканической деятельности, горообразования или других медленных перемещений расплавленной магмы, которая выталкивает на поверхность более глубоко лежащие породы.
Принцип актуализма. Исходя из теории круговорота вещества пород, шотландец Джеймс Хаттон (1795) обосновал "Принцип актуализма", который содержит два положения:
1. Законы природы оставались неизменными в течение большей части (если не всей) геологической истории Земли:
2. В течение всей истории Земли действовали те же самые процессы, что и сейчас, и скорость их колебалась в тех же пределах, что и скорость современных процессов.
То есть, внимательно исследуя породы любого возраста, мы можем определить процессы, создавшие их, и на этом основании реконструировать существовавшие тогда условия и события, происходившие в то время и в том месте, где формировались эти породы. Таково основное следствие принципа актуализма. Он открывает исследователям путь к восстановлению истории Земли.
|
|
|
