Планета Земля и её недра

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Строение недр Земли

После того как была установлена шарообразность Земли, встал вопрос о строении ее недр. Что находится внутри земного шара? В свое время на этот счет было высказано немало фантазий, в которых земные недра представлялись неким адом, преисподней, где томятся души грешников. В античные времена и позднее пользовалась широким признанием версия о земном шаре как каменной массе с многочисленными пустотами, внутри которых циркулируют воздух, вода и огонь. Разбушевавшиеся там свирепые ветры и огненные вихри порождают землетрясения и приводят к извержению вулканов.

Когда же появились первые более или менее серьезные гипотезы о строении земного шара? Точно ответить на этот вопрос трудно. Без сомнения, надо отметить известного французского ученого Рене Декарта (1596-1650). Он полагал, что Земля прежде была таким же раскаленным телом, как и Солнце. Со временем она стала остывать, и у нее образовалась твердая оболочка с внутренними пустотами, в которых может накапливаться вода. Внутри же оболочки Земля до сих пор остается раскаленной, находится в жидком расплавленном состоянии.

Спустя примерно сто лет эти идеи Декарта попытался развить французский естествоиспытатель Жорж Бюффон (1707-1788). Он изложил их в 36-томном труде под названием «Естественная история». Это была первая попытка сконструировать единую геологическую историю Земли от ее возникновения до современного состояния.

В 1788 году вышел в свет труд под названием «Теория Земли». Его автор шотландский геолог Джеймс Геттон (1726-1796) выдвинул гипотезу, согласно которой внутри земного шара должно находиться твердое ядро, окруженное расплавленной массой (магмой). В свою очередь магма окружена твердой оболочкой, пронизанной пустотами. Происходящие на поверхности Земли геологические изменения Геттон связывал именно с магмой. Он полагал, что изливающаяся на поверхность магма превращается в гранитные и базальтовые породы, которые, накапливаясь, формируют континенты и острова.

Геттона и всех, кто его поддерживал, стали называть плутонистами. В честь Плутона, который в греческой мифологии считался подземным богом огня.

Плутонистам противостояли нептунисты. Их назвали так в честь Нептуна - бога морей и океанов в римской мифологии. Идейным руководителем нептунистов был немецкий геолог Абраам Готлиб Вернер (1749-1817). Он утверждал, что формирование континентов и островов происходило не за счет изливающейся из недр магмы, а исключительно за счет осаждения солей из океана, который некогда целиком покрывал всю нашу планету. Вернер ошибочно полагал, что именно в результате кристаллизации морских отложений вырастали на дне океана такие породы, как гранит и базальт. Вулканической же деятельности он серьезного значения не придавал.

Наступил XIX век и завершил спор между плутонистами и нептунистами в пользу плутонистов. Этому способствовало бурное развитие геологии в XIX веке - расцвет горного дела, накопление сведений о строении континентов, научные наблюдения дна морей и океанов. Сразу же заметно усилилось внимание к вулканизму. Немецкий геолог Кристиан Леопольд Бух (1774-1853) и немецкий естествоиспытатель и путешественник Александр Гумбольдт (1769-1859) выдвинули гипотезу, получившую название «гипотеза кратеров поднятия». Согласно этой гипотезе расплавленные магматические массы давят изнутри на твердую земную оболочку, приподнимают ее в тех или иных участках, могут приводить к разрывам. Именно так образуются горы и горные массивы.

Одновременно родилась еще одна гипотеза - так называемая гипотеза контракции. Наиболее полно ее сформулировал французский геолог Эли де Бомон (1798--1874). Он предположил, что по мере постепенного остывания расплавленной магмы земной шар должен немного сжиматься, и в результате земная кора будет коробиться, собираться в складки. Она будет морщиться, подобно кожуре печеного яблока. Наблюдения над Альпами прекрасно подтверждали гипотезу контракции - они демонстрировали хорошо выраженные горные складки.

Обе гипотезы (контракции и поднятия кратеров) исходили из идеи об изначально расплавленной Земле, которая со временем остыла и сформировала твердый слой земной коры. Находясь над расплавленной магмой, земная кора подвергается либо вертикальным подъемам и опусканиям, либо боковым давлениям, собирающим участки коры в складки. Тогда, в XIX столетии, все это представлялось совершенно ясным и понятным.

Но вот наступил XX век. И геологи по-новому взглянули на многие принципиальные проблемы. Они отказались от идеи изначально расплавленной Земли. На смену ей появилась и завоевала всеобщее признание идея о первоначально холодном земном шаре. Одним из первых, кто научно обосновал эту идею, был российский ученый, академик Отто Юлъевич Шмидт (1891-1956).

Суть идеи такова. Около 5 млрд. лет назад вокруг образовавшегося примерно в то же время Солнца вращалось холодное газопылевое облако, состоявшее в основном из водорода. Благодаря силам притяжения происходило объединение (слипание) частиц облака, в результате чего возникали сгустки вещества. Постепенно из объединившихся друг с другом сгустков вещества сформировались протопланеты (будущие планеты). Поначалу это были весьма разреженные образования плотностью в тысячи и более раз меньше плотности твердых тел. Со временем протопланеты уплотнялись. Если первоначально они были однородными по составу, то с течением времени становились неоднородными. Более легкие химические элементы Протоземли сконцентрировались поближе к внешним слоям, а внутри зародилось тяжелое ядро. Получается, что Земля была изначально холодной, и только позднее под влиянием сил притяжения, а также благодаря радиоактивному распаду она разогрелась изнутри. Причем настолько сильно, что возникла вулканическая деятельность, образовалась магма, сформировавшая земные слои, включая земную кору.

Итак, есть над чем задуматься! Вместо изначально расплавленной и потом охладившейся снаружи Земли мы имеем дело с изначально холодной и потом разогревшейся изнутри Землей.

Впрочем, на этом геологические сюрпризы XX столетия не закончились. Нам с тобой предстоит познакомиться с удивительным явлением движения литосферных плит по поверхности Земли. Но обо всем этом позднее, а пока сделаем передышку и поговорим о том, как ученые исследуют земные недра.

2. Как ученые исследуют земные недра

Прежде всего, отметим, что богатую информацию о земных недрах можно получить, исследуя не сами недра, а земную кору, внутри которой они заключены. Многие выводы можно сделать, наблюдая строение континентов, островных дуг, океанического дна. Изучение земной коры проводится в наше время различными способами. К ним относятся, например, наблюдения земной поверхности, выполняемые с помощью искусственных спутников Земли, выявление рельефа океанического дна с помощью эхолокации, измерения магнитного поля Земли в разных участках ее поверхности. Разумеется, большую роль играет бурение глубоких и сверхглубоких скважин. Как на суше, так и на морском дне. В настоящее время существует достаточно много скважин глубиной 6-7 км. Имеются отдельные скважины, приближающиеся к десятикилометровому рубежу. Самая глубокая скважина в мире находится в России на Кольском полуострове. Ее глубина достигает 12 км.

Но ученые не ограничиваются изучением земной коры. Они нашли способ «просматривать», а лучше сказать «прослушивать» земные недра во всем их объеме. Речь идет о сейсмологии - разделе геофизики, изучающем землетрясения и использующем их, в частности, для исследования внутреннего строения Земли, определения положения границ раздела между различными твердыми оболочками земного шара («сейсмос» по-гречески означает «колебание»). В связи с этим говорят о сейсмических методах исследования земных недр. Познакомимся с ними поближе.

Известный российский ученый, один из основателей сейсмологии Борис Борисович Голицын (1862-1916) говорил: «Можно уподобить землетрясение фонарю, который зажигается на короткое время и освещает нам внутренность Земли, позволяя тем самым рассмотреть то, что там происходит». Предположим, что в каком-то месте внутри Земли произошел подземный толчок. Он может быть вызван землетрясением или искусственным взрывом. От этого толчка тут же начинают распространяться во все стороны колебания земной породы (сейсмические волны). Вот их-то и исследуют сейсмологи.

Сейсмические волны бывают двух типов - продольные и поперечные. В продольных волнах колебания частиц породы представляют собой смещения взад и вперед вдоль направления распространения волны. Фактически это есть волны сжатия и разрежения; они очень похожи на звуковые волны, распространяющиеся в воздухе. В поперечных волнах колеблющиеся частицы среды смещаются перпендикулярно к направлению распространения волны. Чтобы такое было возможно, среда должна обладать достаточной жесткостью («работать» не только на сжатие и растяжение, но также и на сдвиг). Поэтому поперечные волны не могут наблюдаться в воздушной среде. Практически они не наблюдаются также и в жидкой среде.

Поперечные сейсмические волны распространяются медленнее продольных. Вообще же скорость сейсмической волны зависит от плотности среды: чем выше плотность, тем больше скорость. Когда сейсмическая волна достигает границы, на которой менее плотная среда резко сменяется более плотной, происходит частичное или полное отражение волны. Возможно, кроме того, преломление волны на границе сред. Примерно так же ведут себя световые лучи на границе двух прозрачных сред.

Специальные приборы, называемые сейсмографами, улавливают и фиксируют сейсмические волны, распространяющиеся внутри Земли от места землетрясения или искусственного взрыва. Сейсмографы позволяют определить скорость волн, выявляют те или иные отражения и преломления волн. В результате внутренность Земли и в самом деле как бы прослушивается.

На отдельном рисунке (с. 19) показана упрощенная схема сейсмического прослушивания земных недр. Земной шар представлен здесь упрощенно в виде однородного твердого тела, внутри которого находится однородный жидкий шар (он показан штриховкой). Стрелками представлены направления распространения сейсмических волн {сейсмические лучи); А - центр взрыва. Сплошными лучами изображены продольные волны, а штриховыми - поперечные. Лучи 1 и 2 выходят на поверхность Земли в точках В и С соответственно. Лучи прямые, поскольку среда предполагается однородной. В реальных средах плотность плавно изменяется в пределах того или иного объема, что приводит к искривлению сейсмических лучей. Волна 3 на нашем чертеже падает на границу раздела твердой и жидкой сред. На границе она частично отражается и выходит на поверхность в точке 2), а частично преломляется и выходит на поверхность в точке Е. Волна 4 является поперечной; попадая в жидкую среду, она гаснет.

На той же странице представлены скорости продольных (сплошные линии) и поперечных (штриховые линии) сейсмических волн на разной глубине внутри земного шара. В целях наглядности шкала глубин не является здесь однородной. Приведенные графики четко выявляют границу Мохоровичича, отделяющую земную кору от мантии (эта граница проходит на глубине 50 км), вязкий слой астеносферы (от 100 км до 300 км), верхнюю границу нижней мантии (на глубине 1000 м), границу раздела мантии и ядра (на глубине 2900 км). Впрочем, обо всем этом мы подробнее поговорим в следующем параграфе.

3. Земной шар в разрезе: современные представления

Справка. Земной шар имеет объем 1,08 10²¹ м³. Его средний радиус составляет 6371 км; экваториальный радиус равен 6378 км, полярный радиус - 6357 км. Масса земного шара составляет 5976 * 10²¹ кг. Средняя плотность равна 5520 кг/м³, т.е. 5,52 г/см³ (в 5,5 раз больше плотности воды).

А теперь посмотрим, как выглядит земной шар в разрезе. В самых общих чертах он выглядит так:

в центре находится ядро; радиус ядра составляет в среднем 3470 км (иными словами, поверхность ядра находится в среднем на глубине 6370 - 3470 = 2900 км);

ядро окружено мантией;

мантия окружена тонким слоем земной коры (толщина этого слоя в разных участках земной поверхности изменяется примерно от 10 км до 90 км).

Итак, снаружи тонкая земная кора, под ней мантия, а под мантией ядро.

Переходя к более подробному разговору о земном ядре, начнем с земной коры. Это очень тонкий, но в то же время очень важный слой. Только в пределах этого слоя в земных недрах присутствуют живые организмы. Именно из этого слоя добывают люди полезные ископаемые.

Земная кора под дном океанов (океаническая земная кора) весьма сильно отличается от коры на суше (континентальной земной коры). Океаническая кора особенно тонкая: она составляет по толщине всего 5-10 км. Тогда как континентальная кора имеет на равнинах толщину 30-40 км, а в горных местностях достигает 70-90 км. Любопытно, что, чем выше горный массив, тем глубже уходит под него земная кора. Как если бы у гор были своеобразные корни. Океаническая кора состоит в основном из базальтовых пород, поверх которых имеется небольшой слой осадочных пород (глины, пески, песчаники, известняки). Континентальная кора содержит кроме осадочных и базальтовых пород также гранитные породы. Возраст океанической земной коры не превышает примерно 150-170 млн. лет. Возраст же континентальной земной коры много больше: он может превышать 3 млрд. лет.

Под земной корой начинается так называемая мантия, состоящая из магматических пород, похожих на базальты. Между земной корой и мантией существует достаточно четкая граница. Ее обнаружил в 1909 году хорватский геофизик Андрия Мохоровичич (1857-1936). В его честь границу,

отделяющую земную кору от мантии, назвали границей Мохоровичича (поверхностью Мохоровичича). Или более коротко: границей Мохо. При переходе через эту границу скорость сейсмических волн увеличивается скачком.

На основании сейсмологических наблюдений мантию разделяют на верхнюю (до глубины около 650 км) и нижнюю, более плотную (от 650 км до 2900 км). Более подробно изучена верхняя мантия. В ее пределах обнаружен любопытный слой, имеющий пониженную твердость и незначительную вязкость. В пределах этого слоя твердые породы как бы «разбавлены» веществом, находящимся в жидком расплавленном состоянии. В результате возникает своеобразное пластичное «твердожидкое» состояние, характеризующееся слабо выраженной текучестью. Этот слой был обнаружен в 1914 году немецким геофизиком Бено Гутенбергом (1889-1960). Его назвали астеносферой (от греческого «астенос», что означает «ослабленный»). Верхняя граница астеносферы находится на глубине примерно 50 км под дном океанов и на глубине около 100 км под континентами. Нижняя граница астеносферы находится на глубинах 200-300 км. При определенных условиях «твердожидкая» астеносфера может превращаться в жидкую магму - и тогда возможно извержение вулкана.

Отметим, что весь твердый слой, включающий в себя земную кору и участок от границы Мохо до верхней границы астеносферы, принято называть литосферой. Ее следует рассматривать как твердый «панцирь» нашей планеты. «Литое» по-гречески означает «камень».

На глубине 2900 км мантия сменяется ядром. Поперечные сейсмические волны сквозь границу ядра не проникают. Отсюда следует, что по крайней мере внешняя часть ядра представляет собой жидкий расплав. Геологи считают, что жидкое ядро находится на глубинах вплоть до 5100 км (внешнее ядро), а дальше имеется твердое и очень плотное (около 12 г/см³) внутреннее ядро.

В целом наблюдается следующая картина (см. рис. на с. 22). Под твердой литосферой находится «размягченный» слой астеносферы, способный достаточно легко превращаться в расплавленную магму. Ниже астеносферы, вплоть до границы между мантией и ядром, располагаются твердые магматические породы. В области внешнего ядра наблюдается жидкий расплав, который становится твердым при переходе к внутреннему ядру. Итак, по мере погружения в недра Земли и приближения к ее центру твердое вещество сначала превращается в вещество, близкое к жидкому, затем снова твердеет, потом становится жидким и, наконец, опять превращается в «твердь». Такая картина может показаться тебе немного странной.

Чтобы понять, в чем тут дело, надо учесть, что температура плавления породы зависит от давления, под которым эта порода находится. Чем выше давление, тем больше температура, при которой твердая порода начинает плавиться. По мере погружения в более глубокие пласты температура земных недр постепенно растет. Одновременно растет и давление пластов. Поначалу температура растет с глубиной так быстро, что, несмотря на рост давления, порода готова вот-вот расплавиться (это наблюдается в области астеносферы). Потом повышение температуры с глубиной становится относительно медленным, и возрастающее давление обеспечивает твердость породы. Так продолжается вплоть до глубины 2900 км. А там по некоторым причинам температура начинает с глубиной достаточно быстро расти, что и приводит к расплавлению внешнего ядра. В конечном счете реванш снова берет давление - и в области внутреннего ядра мы снова имеем твердое тело. И это несмотря на то, что температура внутреннего ядра достигает 6000 °С. Зато и давление здесь исключительно велико - около 3 млн. атм.

Каков химический состав земных недр?

Принято оценивать отдельно химический состав земной коры (точнее, той части коры, которая простирается на глубину до 16 км от поверхности) и химический состав земного шара в целом. Состав земной коры достаточно точно определил американский геохимик Фрэнк Кларк (1847-1931). Он трудился над этим 20 лет, обобщил результаты более 5 тысяч анализов. И вот какой состав земной коры был в итоге установлен: кислород -47% , кремний - 29,5% , алюминий - 8,05% ; железо - 4,65% , кальций -2,96%, натрий - 2,50%, калий - 2,50% , магний - 1,87% .

Остальные элементы содержатся в земной коре в незначительных количествах.

Как ты видишь, основные химические элементы земной коры - это кислород и кремний. На них приходится почти 4/5 всего вещества коры. Можно говорить о кислородно-кремниевом панцире планеты. Главное химическое соединение здесь - это кремнезем (8Ю₂). Заметим, что в гранитах содержится до 80% кремнезема, а в базальтах - около 50%.

Химический состав земного шара в целом (а не только его «кожуры») оценить, конечно, сложнее. Приходится во многом опираться на гипотезы о внутреннем строении Земли. Поэтому неизбежны неточности. Принято считать, что земной шар состоит в основном из железа (35%), кислорода (30%), кремния (15%) и магния (13%). Конечно, эти химические элементы представлены в основном не в виде простых веществ, а в виде различных соединений.

Итак, на первом месте оказывается не кислород, а железо. Поэтому можно говорить, что наша планета - это прежде всего железная планета. Геологи полагают, что именно в ядре сосредоточены основные запасы железа.

4. Минералы

Какие вещества называют минералами?

Без сомнения, тебе не раз приходилось слышать слово «минерал». А сможешь ли ты объяснить, что это такое? Возможно, ты считаешь минералом гранит и базальт или, скажем, янтарь и изумруд. Но это не минералы. Возможно, ты не считаешь минералами обыкновенный лед, самородное золото, слюду. Но на самом деле и то, и другое, и третье - это минералы. Так что надо разобраться с минералами.

Как тебе известно, химические элементы, соединяясь друг с другом, образуют различные вещества (различные химические соединения). Если эти вещества являются кристаллами, если, кроме химического состава, они обладают также определенными физическими свойствами и если они образовались в земной коре в результате неких природных процессов, то такие вещества называют минералами. Итак, у минерала есть четыре признака: определенный химический состав (определенная химическая формула плюс возможные примеси), наличие кристаллической структуры, определенные физические свойства, природное происхождение (в недрах Земли или на ее поверхности).

Например, гранит, мрамор, жемчуг не могут считаться минералами, поскольку не имеют определенного химического состава. Они неоднородны, представляют собой смеси нескольких сложных веществ. Встречающаяся в природе чистая ртуть тоже не признается минералом - ведь она не кристалл. По этой же причине не считается минералом янтарь. Искусственно полученные в лабораторных условиях рубины или алмазы не считаются минералами по той причине, что они искусственные. Минералы должны формироваться не иначе, как в природной среде. Их нельзя получать искусственно, их надо добывать в земных недрах, на поверхности земли, на дне океана. Кстати, латинский термин «минера» переводится как «руда».

Заметь, что простое вещество, если оно твердое и встречается в природе, можно считать минералом. Примеры минералов: самородные золото, серебро, медь, свинец, железо, олово и другие. Углерод, например, может выступать в виде не одного, а двух разных минералов - природного алмаза и графита.

Но, конечно, подавляющее большинство минералов - это сложные вещества. Минералоги насчитывают около 3 тысяч разных минералов.

недра земля исследование минерал

Размещено на Allbest.ru