Строение недр Земли

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Строение недр Земли

гипотеза недра земной устройство

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.

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.

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.

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.

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.

Многообразие минералов

Больше всего в природе минералов, содержащих в своем составе кремний. Их общее название - силикаты. Известно более 500 минералов, относящихся к силикатам. На их долю приходится до 80% массы земной коры.

Среди силикатов на первом месте по распространенности стоят минералы, называемые полевыми шпатами (50% массы земной коры). В состав этих минералов входят натрий, калий, кальций вместе с группой А181₃0₈. Отметим в качестве примера минералы плагиоклазы (их химический состав: Ма [А181₃0₈]) и ортоклазы (химический состав: К [А18д.₃0₈]). Разумеется, запоминать все эти мудреные названия и формулы от тебя не требуется.

Около 3% массы земной коры приходится на силикатные минералы слоистого типа - слюды. В их составе содержится группа А181_дО₁₀. Отметим среди силикатов также минералы оливины (они содержат группу 8Ю₄; например, М§₂8Ю₄) и пироксены (они содержат группу А181₂0₆). Особо надо сказать о кварцах (8Ю₂); на них приходится 12% массы земной коры. В зависимости от примесей получаются разные кварцы - бесцветный горный хрусталь, фиолетовый аметист, черный морион, золотистый цитрин и другие.

Следующими по распространенности в земной коре являются после силикатов минералы, представляющие собой окислы металлов - оксиды. Этих минералов известно около 300; они составляют 17% массы земной коры. Отметим среди них прозрачный и очень твердый минерал корунд (А1₂0₃). При наличии примеси хрома он превращается в розовый или красный рубин, а при наличии примесей железа и титана - в голубой и синий сапфир. Из оксидов отметим также кассерит, или оловянный камень (8п0₂), и гематит (Ре₂0₃). Первый является оловянной рудой, а второй - железной рудой. К оксидам надо отнести и такой минерал как природный лед.

Около 1,7% массы земной коры приходится на минералы, содержащие группу С0₃ - так называемые карбонаты. Таких минералов около ста. Отметим среди них кальцит, или известковый шпат (СаС0₃), доломит (СаМ§[СО]), малахит (Си [СО] * (ОН)). Около 0,1% массы земной коры

составляют 190 минералов, относящихся к сульфатам. Эти минералы содержат группу 80₄. Примером может служить минерал гипс (Са80₄ 2Н₂0). Не надо путать его с тем быстро застывающим гипсом, который врачи используют при переломах костей.

Наконец, нельзя не отметить и такой минерал, как галит. Название его тебе, возможно, неизвестно. Однако этим минералом ты пользуешься ежедневно, потому что галит - это поваренная соль.

Горные породы

Можно, пожалуй, на этом закончить разговор о самих минералах и заняться горными породами. Это те же самые минералы, но взятые не по-отдельности, а в виде скоплений, которые образуются в естественных условиях в земной коре. Учитывая условия, при каких образуются те или иные скопления минералов, различают три основные типа горных пород: магматические породы, осадочные породы, метаморфические породы.

Магматические горные породы

Начнем с магматических горных пород. Эти породы образуются в результате застывания природных расплавов, называемых магмами. Заметим, что, если, прежде чем застыть, расплавленная магма выходит на поверхность, то ее называют уже не магмой, а лавой.

Расплавленные магмы наблюдаются на глубинах до сотен километров - в пределах литосферы и астеносферы. Их температура составляет примерно от 500 °С до 1500 °С - в зависимости от состава магм и условий плавления (и прежде всего величины давления). По составу магматические породы подразделяют на:

кислые (в них больше всего оксида кремния 8Ю₂; его здесь больше 65%);

средние (содержание 8Ю₂ - от 65% до 52%);

основные (содержание 8Ю₂ - от 52% до 45%);

ультраосновные (содержание 8Ю₂ - менее 45%).

Все магматические породы (от кислых до ультраосновных) подразделяют на две группы - в зависимости от того, где именно произошло их застывание. Если оно произошло под земной поверхностью, т.е. в толще земных недр, то в этом случае магматическую породу называют плутонической, или интрузивной (от латинского «интрузио», что означает «внедрение»). Если же магма излилась на земную поверхность или на дно океана и превратилась в лаву, а уже потом застыла, то в этом случае магматическую породу называют вулканической, шли эффузивной (от латинского «эффузио», что означает «разлитие»).

Что нужно знать о гранитах? Отметим, прежде всего, что это кислые магматические породы с содержанием оксида кремния до 80%. Это породы интрузивного типа - они образуются не на поверхности, а в земных недрах. Состоят граниты из зерен минералов кварца, полевого шпата, слюды. Кстати, «гранит» происходит от латинского «гранум», что означает «зерно». Внешне граниты выглядят весьма пестро. Различаются они по цвету (серые, красные, желтоватые, зеленоватые) - в зависимости от соотношения входящих в них минералов.

Кислые породы эффузивного типа (вязкие лавы) называют риолита-ми. Примером может служить обсидиан - вулканическая красно-черная порода. Ее можно назвать вулканическим стеклом, поскольку при очень быстром остывании вязкой лавы кристаллы просто не успевают образоваться.

Базальты относятся к основным породам; содержание оксида кремния в них не превышает 50%. Это породы эффузивного типа, т.е. застывшие лавы. Они содержат такие минералы, как полевой шпат, оливин, пироксен. Выделяющиеся из лавы пузырьки газа делают базальтовые породы, как правило, пористыми.

Если базальтовая магма застывает где-то на глубине, то она образует породу, называемую габбро. Это крупнозернистая порода, в которой много плагиоклаза (разновидности полевого шпата) и пироксена.

Под пластами габбро, на глубинах ниже 10 км от уровня моря залегают обедненные оксидом кремния ультраосновные породы, называемые перидотитами. Главные минералы здесь уже не полевые шпаты, а оливин и пироксен. Перидотит нередко называют базальтом, обогащенным оливином. Под давлением перидотиты могут превращаться в серпентиниты - породы с красивыми вытянутыми в полосы узорами, названные из-за них «змеевиками». Латинское слово «серпентинус» означает «змеиный».

Осадочные горные породы

Теперь займемся осадочными горными породами. Под воздействием различных факторов (смены температур, влияния ветра и воды, работы живых организмов) магматические породы с течением времени разрушаются. Продукты разрушения могут быть очень разными - от крупных глыб до малых песчинок и даже пылинок. Возникают новые скопления минеральных частиц, к которым добавляются частицы органические (остатки растений и животных). Все это осаждается на земную поверхность, в частности на океаническое дно, уплотняется, подвергается химическим превращениям и, в конечном счете, превращается в осадочные породы. Так, разрушение гранита приводит к возникновению щебня, гравия, гальки, песка, глины. Песок образуется из минерала кварца, а глина - из минералов полевого шпата и слюды. Уплотняясь, галька, песок и глина могут образовывать осадочные породы, называемые конгломератами. Песок, сцементированный глиной и известью, образует песчаник. Такие минералы, как кальцит и доломит, образуют вместе с остатками скелетов организмов породу, называемую известняком.

Тебе, наверное, приходилось слышать о коралловых рифах. Это пример осадочных пород типа известняков. Они создаются в течение длительного времени морскими организмами, существующими в виде колоний (сообществ). Значительная часть рифов построена кораллами. Кораллы - мельчайшие морские беспозвоночные с известковым скелетом. Они добывают кальцит из морской воды и сооружают из него красивые ветвистые постройки.

С известняками связано также возникновение карстовых пещер. Они образуются вследствие растворения и вымывания подземными водами известняков, содержащихся в осадочных породах. Возникают причудливые подземные пещеры и лабиринты. Внутри них нарастают великолепные каменные скульптуры из известняка - сталактиты и сталагмиты.

Сталактит нарастает с потолка пещеры. Он похож на большую сосульку. Только это не ледяная сосулька, а известковая. Стекающие по ней с потолка капли воды с растворенным кальцитом частично выпадают в результате испарения в известковый осадок, который обеспечивает постепенный рост сосульки-сталактита. Одновременно, из капель, упавших на дно пещеры, растет сталагмит - такая же известковая «сосулька», но растущая снизу, от пола пещеры. Нередко сталактиты и сталагмиты срастаются друг с другом.

Тебе хорошо знакома разновидность известняка, называемая мелом. Это тонкозернистый мягкий белый известняк, образованный уплотненным скоплением известковых скелетов мельчайших организмов, скоплением мелких раковин.

К осадочным породам относятся также минералы, кристаллизующиеся при выпадении солей из растворов морских вод. Примерами могут служить уже упоминавшиеся ранее гипс и галит. Надо иметь в виду, что они могут не только выпадать из растворов, но и, наоборот, растворяться в воде. При этом могут возникать гипсовые и соляные карстовые пещеры. Они подобны известняковым карстовым пещерам, о которых мы уже говорили.

Метаморфические горные породы

Нам остается рассмотреть метаморфические горные породы. Греческое слово «метаморфозис» означает «превращение». Значит, метаморфические породы - это «породы превращений». Иначе говоря, это породы, образующиеся в земной коре в результате превращений, которым подвергаются магматические и осадочные породы под действием большого давления и высоких температур. Добавим сюда также возможность химических превращений.

Пласт гранита толщиной в 1 км оказывает на нижележащие слои давление 250 атм. При толщине пласта в 10 км давление возрастает до 2500 атм. Пласт базальта на глубине 10 км под дном океана испытывает давление около 3000 атм. Плюс еще 100 атм на каждый километр толщи воды. Температура в нижних слоях земной коры и литосферы достигает 500-700 «С. Благодаря давлению и температуре магматические и осадочные породы с течением времени не просто уплотняются, но и по-новому кристаллизуются - возникает метаморфическая порода.

Наиболее распространены четыре типа метаморфических пород: кварциты, гнейсы, сланцы, мраморы. Кварциты, гнейсы и сланцы содержат в основном тот же набор минералов, что и большинство магматических и осадочных пород. Имеются в виду кварц, полевой шпат, слюда, пироксен. Если в данном наборе преобладает кварц, то формируются кварциты. Если преобладает полевой шпат, формируются гнейсы. Если же преобладают пироксен и слюда, формируются сланцы, которые часто обнаруживают хорошо выраженную слоистую структуру.

Вообще говоря, метаморфозы (превращения) с горными породами происходят отнюдь не только при формировании метаморфических пород. Обрати внимание, какая получается интересная цепочка, которая тянется от кварца, полевого шпата и слюды. Смена температур, вода и ветер разрушают эти минералы, вследствие чего образуются песок и глина. Песок под давлением цементируется с глиной и известью, и в результате образуется песчаник. А песчаник под действием высоких температур превращается в кристаллы кварцита.

Заметь, что одни метаморфические породы могут превращаться в другие метаморфические породы. Так, сланцы под действием особенно высоких давлений, проявляющихся в слоях ниже астеносферы, превращаются в очень плотные глубинные породы - эклогиты. В них много пироксена и кварца. При особенно сильном нагревании (до 1000-1500 °С) кристаллический сланец начинает частично плавиться и превращается в мигматит.

Наверное, самые впечатляющие геологические метаморфозы связаны с мрамором. Как ты уже знаешь, из минералов кальцита и доломита, а также из остатков живых организмов формируются осадочные породы, называемые известняками. Если известняки оказываются в условиях высоких температур и давлений, то с течением времени происходит их перекристаллизация, и возникает удивительная метаморфическая порода - мрамор. «Мраморос» по-гречески означает «блестящий камень». Его назвали так по той причине, что он прекрасно полируется и при этом обнаруживает разнообразную и очень красивую расцветку. Самый знаменитый в мире мрамор добывают в Италии в каменоломнях близ города Кар-ара. Именно его использовал для своих скульптур великий Микеланджело Буонарроти (1475-1564). Большие массивы прекрасного мрамора обнаружены также в ряде других местностей. В России, например, славится мрамор по берегам Енисея в верхнем его течении.

Ты бороздишь земли усталый лик… Войди в нее на глубину в полметра, И ты откроешь новый материк.

Я знаю, что почва образовалась из горных пород. Но это же не просто песок или глина. Говорят, что почва - особое природное тело, своеобразный живой организм.

Нет, живым организмом почву назвать нельзя. Однако и к неживым (неорганическим) породам она не относится. В определенном смысле это некий комплекс живого и неживого. Ученые называют почву биокосным природным телом. Главный признак этого тела - наличие у него перегноя (его называют также гумусом), благодаря которому почва обладает плодородием. На ней могут жить и развиваться растения. Слой почвы на земной поверхности весьма невелик - не более нескольких метров. А местами, например в тундре, он меньше метра. Но именно благодаря этому тонкому слою почвы на Земле есть жизнь.

Насколько мне известно, почвы бывают разными.

Совершенно верно. Основатель научного почвоведения российский ученый Василий Васильевич Докучаев (1846-1903) разделял почвы на три основных типа: подзолистые, черноземные, каштановые. Подзолистые почвы в верхнем слое сероватые, похожие по цвету и структуре на золу. Они бедны гумусом. Эти почвы образуются под хвойными и под лиственными лесами. Черноземные почвы, напротив, богаты гумусом. Благодаря ему они темные, почти черные (отсюда и название). Эти почвы образуются под богатыми степными травами. Каштановые почвы имеют коричнево-бурый цвет каштана. Они образуются в сухих степях. По содержанию гумуса их можно считать промежуточными между подзолистыми и черноземными.

Получается, что есть всего три типа почв?

В настоящее время ученые считают, что деление почв на подзолы, черноземы и каштановые - это слишком общее и приблизительное деление, не учитывающее специфики многих почв. Например, надо различать просто подзолистые почвы хвойных лесов и дерново-подзолистые почвы лиственных лесов. А есть еще торфянисто-подзолистые песчаные почвы и горно-подзолистые каменистые почвы. Ученые выделяют десятки различных почв. Обрати внимание: тип почвы существенно зависит от характера растительности в данной местности.

А может быть, правильнее сказать, что именно характер растительности зависит от типа почвы в данной местности?

Можно и так сказать. Строго говоря, почвы и растения взаимосвязаны, а потому и взаимозависимы. По типу почвы можно судить о характере растительности. И, наоборот, изучая растительность, можно заранее предсказать тип почвы.

А как все-таки образовались почвы? Что было вначале - почва или растения?

Разумеется, нельзя считать, что сначала образовался какой-то тип почвы, а потом на этой почве выросли соответствующие растения. Тем более нельзя считать, что сначала появились неизвестно откуда растения, а потом из их сгнивших остатков сформировалась почва. Почва на каждой конкретной местности формировалась постепенно, на протяжении длительного времени, и столь же постепенно формировался соответствующий растительный покров. Исходными факторами при формировании почвы (их называют факторами почвообразования) следует считать материнскую породу, климатические условия, рельеф местности. А также живые организмы.

Под живыми организмами подразумеваются растения?

В данном случае я имел в виду не столько растения или тех животных, которые обитают в почве, сколько почвенных бактерий. Но прежде чем говорить о бактериях, я задам вопрос: какая у почвы отличительная особенность, которую нетрудно заметить?

Читатель: Почва содержит разнообразные комки. Она комковатая. Автор: Верно. Отличительная особенность почвы в том, что она имеет структуру, она действительно состоит из комков. В одних почвах комковатость выражена лучше, в других хуже. У одних почв комки крупные, у других мелкие. У подзолов комочки фактически не просматриваются (тут большое сходство с золой). А вот у черноземов комки крупные, хорошо просматриваются на срезе.

А какую роль играет комковатость почвы? Исключительно большую. Благодаря этой комковатости в почве есть вода и воздух. Попадая в почву, дождевая вода стекает вниз по трещинам и порам между комками. При этом часть воды проникает внутрь комков по маленьким порам (этих маленьких пор в комках великое множество) и остается там. До следующего дождя растения могут использовать эту воду, потребляя ее через корневую систему. Получается, что каждый комок или комочек почвы - это как бы бачок для воды, который пополняется от дождя к дождю. Из этого бачка растения могут все время «пить» необходимую им воду. А трещины и поры между комками позволяют воздуху проходить сквозь почву.

Но зачем почве воздух?

Прежде всего почве нужен кислород воздуха. Ведь в почве идут процессы разложения попавших в нее растительных и животных остатков. Эти процессы связаны с химическими реакциями окисления. Для них-то и нужен кислород. Напомню тебе химическую реакцию (при взаимодействии глюкозы с кислородом образуются вода и углекислый газ). Она приводилась в моей книге «Микромир и Вселенная».

Читатель: Я помню. Эта реакция рассматривалась как пример катаболического процесса - когда происходит расщепление сложных органических веществ на более простые и одновременно высвобождается энергия, которая хранилась в химических связях сложных веществ.

Реакции типа реакции (*) описывают идущие в почве процессы гниения, разложения. Чтобы эти процессы происходили, требуются три фактора: сложные органические соединения (их обеспечивают живые организмы, попадающие в почву), кислород (его обеспечивает атмосферный воздух, проникающий в почву между ее комками), бактерии (они живут в почве). Именно бактерии и инициируют указанные процессы.

А что представляют собой бактерии, которые живут в почве и инициируют процессы гниения?

Возьми в руки прошлогодний лист. Видишь, какой он мягкий, почерневший; местами превратился в темную липкую массу. Это результат работы бактерий, которых в почве невообразимо много. Простым глазом их, конечно, не увидишь; нужен микроскоп. Они очень разнообразны. Одни похожи на палочки, другие - на цепочки. Есть бактерии со жгутиками и без жгутиков.

Везде на Земле произрастает так много разных растений! Все они рано или поздно разлагаются. Сколько же для этой гигантской работы нужно «малышек» - бактерий!

Не беспокойся, их в самом деле очень много. Представь себе слой почвы толщиной всего 20 см и площадью один квадратный метр. Так вот, общая масса всех бактерий в этом слое может достигать килограмма. Нетрудно подсчитать, что это соответствует пяти миллиграммам бактерий в кубическом сантиметре почвы.

Значит, именно эти бактерии-труженики убирают леса и луга от высохшей травы, опавших листьев, умерших деревьев?

Бактерии и грибы. Без них вся Земля давным-давно стала бы гигантской свалкой. Она была бы завалена отмершими растениями и трупами животных. Всюду бы громоздились остатки жизни, а сама жизнь на планете, конечно, прекратилась бы. Но, к счастью, эти великие труженики существуют, и поэтому с каждой весной земная природа оживает вновь. Леса снова зеленеют, все кругом свежеет. Словно кто-то взял да убрал прошлогодний мусор.

Если исходить из реакции (*), то получается, что бактерии и грибы превращают все растительные и животные остатки в воду и углекислый газ. Разве это так?

Конечно, не так. Вода и вправду образуется. Углекислый газ почва в самом деле «выдыхает». Она «выдыхает» за год с одного гектара более Ют углекислого газа. Однако сложные процессы разложения растительных и животных остатков нельзя сводить к одной лишь реакции, которая была приведена выше. В результате разложения образуются не только вода и углекислый газ, но еще и перегной (гумус), о котором уже упоминалось. Это очень сложное вещество. Оно является источником пищи для растений.

Как же растения питаются перегноем?

Собственно говоря, самим перегноем они не питаются. Их пищей является то, что бактерии готовят из перегноя. Дело в том, что бактерии не только разлагают остатки растений и животных до перегноя (а также углекислого газа и воды), но и готовят из того же перегноя пищу для живых растений.

Что же представляет собой эта пища?

Это растворы различных солей. Именно эти растворы солей поступают из почвенных комков в корни растений. Тем самым растения одновременно и пьют, и питаются. Одним из продуктов разложения органических остатков является аммиак (>Ш₃). Бактерии заставляют этот аммиак вступать во взаимодействие с кислородом, в результате чего образуется азотная кислота.

Размещено на Allbest.ru