С незапамятных времен люди пытались изображать схемы внутреннего строения Земли. Их интересовали недра Земли как кладовые запасов воды, огня, воздуха, а также, как источник сказочных богатств. Отсюда - стремление проникнуть мыслью в глубины Земли, куда, по выражению Ломоносова,
рукам и оку возбраняет натура (т. е. природа).
Первая схема внутреннего строения Земли
Величайший мыслитель древности греческий философ , живший в IV веке до нашей эры (384-322), учил, что внутри Земли находится «центральный огонь», который вырывается наружу из «огнедышащих гор». Он полагал, что воды океанов, просачиваясь в глубь Земли, заполняют пустоты, потом по трещинам вода снова поднимается вверх, образует ключи и реки, которые впадают в моря и океаны. Так совершается круговорот воды.
Первая схема строения Земли Афанасия Кирхера (по гравюре 1664г.)
С той поры прошло более двух тысяч лет, и только во второй половине XVII века - в 1664 г появилась первая схема внутреннего строения Земли . Ее автором был Афанасий Кирхер . Она была далеко не совершенна, зато вполне благочестива, как это нетрудно заключить, взглянув на рисунок.
Земля изображалась твердым телом, внутри которого огромные пустоты соединялись между собой и поверхностью многочисленными каналами. Центральное ядро заполнялось огнем, а пустоты, что ближе к поверхности,- и огнем, и водой, и воздухом.
Составитель схемы был убежден, что внутри Земли очаги огня согревали ее и производили металлы. Материалом для подземного огня, по его представлениям, служили не только сера и каменный уголь, но также и другие минеральные вещества недр земных. Подземные потоки воды порождали ветры.
Вторая схема внутреннего строения Земли
В первой половине XVIII века появилась вторая схема внутреннего строения Земли . Ее автором был Вудворт . Внутри Земля заполнялась уже не огнем, а водой; вода создавала обширную водяную сферу, а каналы соединяли эту сферу с морями и океанами. Мощная твердая оболочка, состоящая из пластов горных пород, окружала жидкое ядро.
Вторая схема строения Земли Вудворта (по гравюре 1735 г.)
Пласты горных пород
О том, как образуются и располагаются пласты горных пород , впервые указал выдающийся исследователь природы датчанин Николай Стенсен (1638-1687). Ученый долго жил во Флоренции под именем Стено, занимаясь там врачебной практикой.
Горняки давно уже замечали закономерное расположение пластов осадочных пород. Стенсен не только правильно объяснил причину их образования, но и дальнейшие изменения, которым они подвергались.
Эти пласты, по его заключению, осели из воды. Первоначально осадки были мягкими, потом затвердели; сперва пласты залегали горизонтально, затем, под влиянием вулканических процессов, испытали значительные перемещения, чем и объясняется наклон их.
Но то, что было правильным по отношению к осадочным породам, нельзя, конечно, распространять на все прочие породы, слагающие земную кору. Как же они образовались? Из водных ли растворов или из огненных расплавов? Этот вопрос надолго, вплоть до 20-х годов XIX столетия, приковывал к себе внимание ученых.
Спор между нептунистами и плутонистами
Между сторонниками воды - нептунистами (Нептун - древнеримский бог морей) и сторонниками огня - плутонистами (Плутон - древнегреческий бог подземного царства) неоднократно возникали горячие споры.
Наконец, исследователи доказали вулканическое происхождение базальтовых пород, и нептунисты вынуждены были признать себя побежденными.
Базальт
Базальт - весьма распространенная вулканическая порода. Она часто выходит на поверхность земли, а на больших глубинах образует надежный фундамент земной коры . Для этой породы - тяжелой, плотной и твердой, темной окраски - характерно столбчатое сложение в виде пяти-шести-угольных отдельностей.
Базальт - прекрасный строительный материал. Он, кроме того, поддается плавке и применяется для производства базальтового литья. Изделия обладают ценными техническими качествами: тугоплавкостью и кислотоупорностью.
Из базальтового литья делаются высоковольтные изоляторы, химические баки, канализационные трубы и т. п. Базальты встречаются в Армении, на Алтае, в Забайкалье других районах.
Базальт отличается от остальных пород большим удельным весом.
Конечно, значительно труднее определить плотность Земли. А это необходимо знать для того, чтобы правильно понять строение земного шара. Первые и при этом достаточно точные определения плотности Земли были сделаны еще двести лет назад.
Плотность принималась в среднем из многих определений равной 5,51 г/см 3 .
Сейсмология
Значительную ясность в представления о внесла наука сейсмология , изучающая природу землетрясений (от древнегреческих слов: «сейсмос» - землетрясение и «логос» - наука).
В этом направлении предстоит еще большая работа. По образному выражению крупнейшего сейсмолога, академика Б. Б. Голицына (1861 -1916),
всякие землетрясения можно уподобить фонарю, который зажигается на короткое время и, освещая нам внутренности Земли, позволяет тем самым рассмотреть то, что там происходит.
С помощью очень чувствительных самопишущих приборов сейсмографов (от уже знакомого нам слова «сейсмос» и «графо» - пишу) выяснилось, что скорость распространения волн землетрясения через земной шар не одинакова: она зависит от плотности веществ, через которые распространяются волны.
Через толщу песчаника, например, они проходят в два с лишним раза медленнее, чем через гранит. Это позволило сделать важные заключения о строении Земли.
Земной шар , по современным научным воззрениям, можно представить в виде трех вложенных друг в друга шаров. Есть такая детская игрушка: цветной деревянный шар, состоящий из двух половинок. Если его раскрыть, внутри оказывается другой цветной шар, в нем - шар еще меньше и так далее.
- Первый наружный шар в нашем примере - земная кора .
- Второй - оболочка Земли, или мантия.
- Третий - внутреннее ядро .
Современная схема внутреннего строения Земли
Толщина стенок у этих «шаров» различна: у наружного - самая тонкая. Тут надо отметить, что земная кора не представляет собой однородного слоя одинаковой толщины. В частности, под территорией Евразии она изменяется в пределах 25-86 километров.
Как определяют сейсмические станции, т. е. станции, изучающие землетрясения, толщина земной коры по линии Владивосток - Иркутск- 23,6 км; между Питером и Свердловском- 31,3 км; Тбилиси и Баку - 42,5 км; Ереваном и Грозным - 50,2 км; Самаркандом и Чимкентом - 86,5 км.
Толщина оболочки Земли, наоборот, весьма внушительна - около 2900 км (в зависимости от толщины земной коры). Оболочка ядра несколько тоньше - 2200 км. Самое же внутреннее ядро имеет радиус в 1200 км. Напомним, что экваториальный радиус Земли - 6378,2 км, а полярный - 6356,9 км.
Вещество Земли на больших глубинах
Что же происходит с веществом Земли
, составляющим земной шар, на больших глубинах
?
Общеизвестно, что с глубиной температура увеличивается. В каменноугольных шахтах Англии и в серебряных рудниках Мексики она настолько высока, что невозможно работать, несмотря на всякие технические приспособления: на глубине одного километра - свыше 30° жары!
Число метров, на которое нужно спуститься в глубь Земли, чтобы температура повысилась на 1°, называется геотермической ступенью . В переводе на русский язык - «степень нагревания Земли». (Слово «геотермический» сложено из двух греческих слов: «ге» - земля, а «терме» - жар. что сходно со словом «термометр».)
Величина геотермической ступени выражается в метрах и бывает различна (в пределах между 20-46). В среднем ее принимают в 33 метра. Для Москвы по данным, глубокого бурения геотермический градиент равен 39,3 метра.
Самая глубокая буровая скважины пока не превышает 12000 метров . На глубине свыше 2200 метров в некоторых скважинах уже появляется перегретый пар. Он с успехом используется в промышленности.
Однако, чтобы сделать отсюда правильные выводы, необходимо учесть еще и воздействие давления, которое тоже непрерывно повышается по мере приближения к центру Земли.
На глубине в 1 километр давление под материками достигает 270 атмосфер (под дном океана на той же глубине - 100 атмосфер) , на глубине 5 км - 1350 атмосфер, 50 км - 13 500 атмосфер и т. д. В центральных частях нашей планеты давление превышает 3 миллиона атмосфер!
Естественно, что с глубиной будет изменяться и температура плавления. Если, допустим, базальт плавится в заводских печах при 1155°, то на глубине 100 километров он начнет плавиться только при 1400°.
По предположениям ученых температура на глубине 100 километров равна 1500° и затем, медленно нарастая, только в самых центральных частях планеты достигает 2000-3000°.
Как показывают лабораторные опыты, под влиянием возраcтаюшего давления твердые тела - не только известняк или мрамор но и гранит - приобретают пластичность и обнаруживают все признаки текучести.
Такое состояние вещества характерно для второго шара нашей схемы - оболочки Земли. Очаги расплавленной массы (магма), непосредственно связанные с вулканами, имеют ограниченные размеры.
Ядро Земли
Вещество оболочки ядра Земли вязкое, а в самом ядре, в связи огромным давлением и высокой температурой, оно находится в особом физическом состоянии. Его новые свойства сходны в отношении твердости со свойствами жидких тел, а в отношении электропроводности - со свойствами металлов.
В больших глубинах Земли вещество переходит, как говорят ученые, в металлическую фазу, которую не возможно пока создать в лабораторных условиях.
Химический состав элементов земного шара
Гениальный русский химик Д. И. Менделеев (1834-1907) доказал, что химические элементы представляют стройную систему. Их качества находятся между собой в закономерных отношениях и представляют последовательные ступени единой материи, из которой построен земной шар.
- По химическому составу земную кору в основном образуют только девять элементов из более ста нам известных. Среди них прежде всего кислород, кремний и алюминий , затем, в меньшем количестве, железо, кальций, натрий, магний, калий и водород . На долю остальных приходится только два процента от общего веса всех перечисленных элементов. Земную кору в зависимости от ее химического состава называли сиаль. Это слово указывало на то, что в земной коре после кислорода преобладает кремний (по-латыни - «силициум», отсюда первый слог - «си») и алюминий (второй слог - «ал», вместе - «сиаль»).
- В подкорковой оболочке заметно увеличение магния. Поэтому ее и называют сима . Первый слог - «си» от силиция - кремния , а второй - «ма» от магния .
- Центральная часть земного шара полагали в основном образована из никелистого железа , отсюда ее название - нифе . Первый слог - «ни» указывает на присутствие никеля, а «фе» - железа (по-латыни «феррум»).
Плотность земной коры в среднем равна 2,6 г/см 3 . С глубиной наблюдается постепенное нарастание плотности. В центральных частях ядра она превышает 12г/см 3 , причем отмечаются резкие скачки, особенно на границе оболочки ядра и в самом внутреннем ядре.
Большие труды 0 строении Земли, ее составе и процессах распространения химических элементов в природе оставили нам выдающиеся советские ученые - академик В. И. Вернадский (1863-1945) и его ученик академик А. Е. Ферсман (1883- 1945)-талантливый популяризатор, автор увлекательных книг - «Занимательная минералогия» и «Занимательная геохимия».
Химический анализ метеоритов
Правильность наших представлений о составе внутренних частей Земли подтверждается также химическим анализом метеоритов . В одних метеоритах преобладает железо - они так и называются железными метеоритами , в других - те элементы, которые встречаются в горных породах земной коры, почему они и называются каменными метеоритами .
Каменные метеориты представляют обломки наружных оболочек распавшихся небесных тел, а железные - обломки их внутренних частей. Хотя по внешним признакам каменные метеориты и не похожи на наши горные породы, однако по химическому составу близки к базальтам. Химический анализ железных метеоритов подтверждает наши предположения о природе центрального ядра Земли.
Атмосфера Земли
Наши представления о строении Земли будут далеко не полными, если мы ограничимся только ее недрами: Земля окружена прежде всего воздушной оболочкой - атмосферой (от греческих слов: «атмос»- воздух и «сфайра» - шар).
Та атмосфера, которой была окружена новорожденная планета, содержала в парообразном состоянии воду будущих океанов Земли. Давление этой первичной атмосферы было поэтому выше современного.
По мере охлаждения атмосферы потоки перегретой воды изливались на Землю, давление становилось ниже. Горячие воды создали первичный океан - водную оболочку Земли, иначе гидросферу (от греческого «гидор» - вода), (подробнее: ). Водная оболочка, покрывая большую часть поверхности земного шара (около 71%), образует единый мировой океан.
Исследование глубин океана показало, что очертания его дна меняются. Те данные, которыми мы располагаем в настоящее время о морских глубинах, не могут быть отнесены к первичному океану, так как древнейшие отложения - в большинстве мелководные. Следовательно, в древнейшие эпохи развития нашей планеты преобладали мелкие водоемы, сейчас же мы наблюдаем обратное соотношение.
1. Строение Земли
Земля по своей форме близка к шару и подобна другим планетами Солнечной системы. Для неточных расчетов принимают, что Земля – шар с радиусом, равным 6370 (6371) км. Более точно фигура Земли – трехосный эллипсоид вращения , хотя ее форма не соответствует ни одной правильной геометрической фигуре. Иногда ее называют сфероидом . Считается, что она имеет форму геоида . Эта фигура получается, если провести воображаемую поверхность, которая совпадает с уровнем воды в океанах, под континенты.
Наибольшая глубина (Марианская впадина) – 11521 (11022) м; наибольшая высота (г. Эверест) – 8848 м.
На 70,8 % поверхность занята водами и только 29,2 % - сушей.
Размеры Земли можно охарактеризовать следующими цифрами:
Полярный радиус ~ 6 357 км. Экваториальный радиус ~ 6 378 км.
Сплюснутость - 1/298,3. Окружность по экватору ~ 40 076 км.
Поверхность Земли - 510 млн. км 2 . Объем Земли - 1 083 млрд. км 3 .
Масса Земли - 5,98.10 27 т Плотность – 5,52 см 3 .
Плотность увеличивается с глубиной: на поверхности – 2,66; 500 км – 3,33;. 800 км – 3,76; 1300 км – 5,00; 2500 км – 7,40; 500 км – 10,70; в центре – до 14,00 г/см 3 .
Рис.1. Схема внутреннего строения Земли
Земля состоит из оболочек (геосфер) – внутренних и внешних.
Внутренние геосферы – земная кора, мантия и ядро.
1. Земная кора . Мощность земной коры в различных районах Земного шара неодинакова. Под океанами она изменяется от 4 до 20 км, а под континентами – от 20 до 75 км. В среднем же для океанов ее мощность составляет 7…10 км, для континентов – 37…47 км. Средняя толщина (мощность) составляет всего 33 км. Нижняя граница земной коры определяется резким увеличением скорости распространения сейсмических волн и называется разделом Мохоровичича (юг. сейсмограф), где отмечено скачкообразное увеличение скорости распространения упругих (сейсмических) волн с 6,8 до 8,2 км/с. Синоним – подошва земной коры .
Кора имеет слоистое строение. В ней выделяют три слоя: осадочный (самый верхний), гранитный и базальтовый .
Мощность гранитного слоя увеличивается в молодых горах (Альпы, Кавказ) и достигает 25…30 км. В районах древней складчатости (Урал, Алтай) наблюдается уменьшение мощности гранитного слоя.
Базальтовый слой распространен повсеместно. Чаще базальты встречаются уже на глубине 10 км. В виде отдельных пятен они внедряются в мантию на глубине 70…75 км (Гималаи).
Границу раздела между гранитным и базальтовым слоем называют поверхностью Конрада (австр. геофизикКонрад В.), также характеризующаяся скачкообразным увеличением скорости прохождения сейсмических волн.
Выделяют два типа земной коры: континентальную (трехслойную) и океаническую (двухслойную). Граница между ними не совпадает с границей материков и океанов и проходит по дну океанов на глубинах 2,0…2,5 км.
Континентальный тип коры состоит из осадочного, гранитного и базальтового слоев. Мощность зависит от геологического строения района. На высоко поднятых участках кристаллических пород осадочный слой практически отсутствует. Во впадинах же его мощность достигает иногда 15…20 км.
Океанический тип коры состоит из осадочного и базальтового слоев. Осадочный слой покрывает практически все дно океанов. Мощность его колеблется в пределах сотен и даже тысяч метров. Базальтовый слой распространен также повсеместно под дном океанов. Мощность земной коры в океанических бассейнах неодинаковая: в Тихом океане она составляет 5…6 км, в Атлантическом – 5…7 км, в Северном Ледовитом – 5…12 км, в Индийском – 5…10 км.
Литосфера – каменная оболочка Земли, объединяющая земную кору, подкорковую часть верхней мантии и подстилаемая астеносферой (слой пониженной твердости, прочности и вязкости).
Таблица 1
Характеристика оболочек твердой Земли
|
Геосфера |
Интервал глубин, км |
Плотность, г/см 3 |
от объема, % |
Масса, 10 25 т |
от массы Земли, % |
|
Земная кора | |||||
|
Раздел Мохоровичича |
|||||
|
Внешняя В | |||||
|
Переходный слой С | |||||
|
Раздел Вихерта-Гутенберга |
|||||
|
Внешнее Е | |||||
|
Переходный слой F | |||||
|
Внутреннее G | |||||
2. Мантия (греч. покрывало, плащ) располагается на глубине 30…2900 км. Ее масса составляет 67,8 % массы Земли и более чем в 2 раза превышает массу ядра и коры, вместе взятых. Объем составляет 82,26 %. Температура поверхности мантии колеблется в интервале 150…1000 °С.
Мантия состоит из двух частей – нижней (слой D) с подошвой ~ 2900 км и верхней (слой B) до глубины 400 км. Нижняя мантия – Mn, Fe, Ni. В ней распространены ультраосновные породы, поэтому оболочку нередко называют перидотитовой или каменной. Верхняя мантия – Si, Mg. Она активна, содержит очаги расплавленных масс. Здесь зарождаются сейсмические и вулканические явления, горообразовательные процессы. Существует и переходной слой Голицына (слой С) на глубине 400…1000 км.
В верхней части мантии, подстилающей литосферу, находится астеносфера . Верхняя граница глубиной около 100 км под материками и около 50 км под дном океана; нижняя – на глубине 250…350 км. Астеносфера играет большую роль в происхождении эндогенных процессов, протекающих в земной коре (магматизм, метаморфизм и т.д.). По поверхности астеносферы происходит перемещение литосферных плит, создающих структуру поверхности нашей планеты.
3. Ядро Земли начинается с глубины 2900 км. Внутреннее ядро – твердое тело, внешнее ядро – жидкость. Масса ядра до 32 % массы Земли, а объем – до 16 %. Земное ядро почти на 90 % состоит из железа с примесью кислорода, серы, углерода и водорода. Радиус внутреннего ядра (слой G), состоящего из железо-никелевого сплава ~ 1200…1250 км, переходный слой (слой F) ~ 300…400 км, радиус внешнего ядра (слой E) ~ 3450…3500 км. Давление - около 3,6 млн. атм., температура - 5000 °С.
В отношении химического состава ядра существуют две точки зрения. Одни исследователи считают, что ядро, подобно железным метеоритам, состоит из Fe и Ni. Другие предполагают, что, аналогично мантии, ядро сложено силикатами Fe и Mg. Причем вещество находится в особом металлизированном состоянии (электронные оболочки частично разрушены).
Внешние геосферы – гидросфера (водная оболочка), биосфера (сфера жизнедеятельности организмов) и атмосфера (газовая оболочка).
Гидросфера покрывает земную поверхность на 70,8 %. Средняя мощность ее около 3,8 км, наибольшая – > 11 км. Образование гидросферы связано с дегазацией воды из мантии Земли. Она находится в тесной взаимосвязи с литосферой, атмосферой и биосферой. Общий объем гидросферы по отношению к объему земного шара не превышает 0,13 %. Более 98 % всех водных ресурсов Земли составляют соленые воды океанов, морей и др. Общий объем пресных вод равен 28,25 млн. км 3 или около 2 % всей гидросферы.
Таблица 2
Объем гидросферы
|
Части гидросферы |
Объем всей воды, |
Объем пресной воды, тыс.м 3 |
Интенсивность водообмена, лет |
|
Мировой океан | |||
|
Подземные воды | |||
|
Почвенная влага | |||
|
Пары атмосферы | |||
|
Речные воды | |||
|
Вода в живых организмах (биологическая) |
* – вода, подвергаемая активному водообмену
Биосфера (сфера жизнедеятельности организмов) связана с поверхностью Земли. Она находится в постоянном взаимодействии с литосферой, гидросферой и атмосферой.
Атмосфера. Верхней ее границей является высота (3 тыс. км), где плотность почти уравновешивается с плотностью межпланетного пространства. Химически, физически и механически воздействует на литосферу, регулируя распределение тепла и влаги. Атмосфера имеет сложное строение.
От поверхности Земли вверх она подразделяется на тропосферу (до 18 км), стратосферу (до 55 км), мезосферу (до 80 км), термосферу (до 1000 км) и экзосферу (сфера рассеивания). Тропосфера занимает около 80 % общей атмосферы. Ее мощность 8…10 км над полюсами, 16…18 км – над экватором. При средней для Земли годовой температуре + 14 о С на уровне моря у верхней границы тропосферы она падает до – 55 о С. У поверхности Земли наиболее высокая температура достигает 58 о С (в тени), а наиболее низкая падает до – 87 о С. В тропосфере происходят вертикальные и горизонтальные перемещения воздушных масс, во многом определяющие круговорот воды, теплообмен , перенос пылеватых частиц.
Магнитосфера
Земли
– самая внешняя и протяженная оболочка
Земли, представляющая собой околоземное
пространство, где напряженность земного
электромагнитного поля превышает
напряженность внешних электромагнитных
полей. Магнитосфера имеет сложную,
непостоянную по конфигурации форму и
магнитный шлейф. Внешняя граница
(магнитопауза) установлена на расстоянии
~ 100…200 тыс. км от Земли, где магнитное
поле ослабевает и становится соизмеримой
с космическим магнитным полем
Состав глубинных оболочек Земли продолжает оставаться одним из самых интригующих вопросов современной науки, и тем не менее еще в начале ХХ века сейсмологами Бено Гутенбергом и Г. Джеферсоном была разработана модель внутреннего устройства нашей планеты, согласно которой Земля состоит из следующих слоев:
Ядро;
- мантия;
- земная кора.
Современный взгляд на внутреннее устройство планеты
В середине прошлого века на основании последних на то время сейсмологических данных ученые пришли к выводу, что глубинные оболочки имеют более сложное устройство. Тогда же сейсмологи выяснили, что земное ядро разделяется на внутреннее и внешнее, а мантия состоит из двух слоев: верхнего и нижнего.
Внешняя оболочка земли
Земная кора - это не только самый верхний, самый тонкий, но и самый хорошо изученный из всех слоев Его толщина (мощность) достигает максимальной отметки под горами (порядка 70 км) и минимальной - под водами мирового океана (5-10 км), средняя мощность земной коры под равнинами колеблется от 35 до 40 км. Переход от земной коры к мантии называют границей Мохоровича или Мохо.
Стоит также отметить, что земная кора совместно с верхней частью мантии образуют каменную оболочку Земли - литосферу, толщина которой колеблется от 50 до 200 км.
Следом за литосферой располагается астеносфера - размягченный жидкий слой с повышенной вязкостью. В дополнение ко всему, именно эту составляющую земной поверхности называют источником вулканизма, так как в ней располагаются очаги магмы, изливающейся в земную кору и на поверхность.
В науке принято выделять несколько видов земной коры
Материковая или континентальная распространяется в пределах границ материков и шельфов, состоит из базальтового, гранитно-гейсового и осадочного слоев. Переход гранитно-гейсового слоя в базальтовый называют границей Конрада.
Субматериковая кора - переходный тип, располагается на периферии внутренних и а также под островными дугами.
Субокеаническая кора сходна по своему строению с океанической, особенно хорошо развита на территории глубоководных частей морей и на больших глубинах океанических желобов.
Серединная геосфера
Глубинный слой планеты Земля
Является самым малоизученным Достоверных сведений о нем очень мало, с полной уверенностью можно сказать лишь то, что его диаметр составляет около 7 тысяч километров. Считается, что в состав земного ядра входит сплав никеля и железа. Стоит также отметить, что внешнее ядро планеты имеет большую толщину и находится в жидком в то время как внутреннее - меньше по толщине и тверже по консистенции. От мантии земное ядро отделяет так называемая граница Гуттенберга.
Наш дом
Планета, на которой мы живём, используется нами абсолютно во всех сферах нашей жизнедеятельности: мы строим не ней свои города и жилища; употребляем в пищу плоды растений, растущих на ней; используем в своих целях природные ресурсы, добываемые из её недр. Земля - это источник всех благ, доступных нам, наш родной дом. Но мало кто знает, что собой представляет строение Земли, в чём его особенности и чем оно интересно. Для людей, специально интересующихся данным вопросом, написана эта статья. Кто-то, прочитав её, освежит в памяти уже имеющиеся знания. А кто-то, возможно, узнает то, о чём не имел ни малейшего представления. Но прежде чем перейти к разговору о том, что характеризует внутренние строение Земли, стоит немного сказать и о самой планете.
Вкратце о планете Земля
Земля - третья от Солнца планета (перед ней находится Венера, за ней - Марс). Расстояние от Солнца - около 150 млн. км. Относится к группе планет, называемой "земной группой" (также к ней относят Меркурий, Венеру и Марс). Её масса составляет 5,98*10 27 , а объём равен 1,083*10 27 см³. Скорость движения по орбите равна 29,77 км/с. Полный оборот вокруг Солнца Земля совершает за 365,26 суток, а полный оборот вокруг собственной оси - за 23 часа 56 минут. На основании научных данных учёные сделали вывод, что возраст Земли приблизительно 4,5 миллиарда лет. Планета имеет форму шара, но очертания её иногда меняются вследствие неизбежных внутренних динамических процессов. Химический состав подобен составу остальных планет из земной группы - в нём преобладают кислород, железо, кремний, никель и магний.
Строение Земли
Земля состоит из нескольких составляющих - это ядро, мантия и земная кора. Обо всём понемногу.
Земная кора
Это верхний слой Земли. Именно его активно использует человек. И изучен данный слой лучше всех. В нём находятся залежи горных пород и минералов. Состоит он из трёх слоёв. Первый - осадочный. Представлен более мягкими горными породами, образовавшимися в результате разрушения твёрдых, отложениями остатков растений и животных, осаждениями различных веществ на дне мирового океана. Следующий слой - гранитный. Он образован из застывшей магмы (расплавленного вещества земных глубин, заполняющего трещины в коре) в условиях давления и высоких температур. Также этот слой содержит разные минералы: алюминий, кальций, натрий, калий. Как правило, данный слой отсутствует под океанами. После гранитного слоя идёт базальтовый, состоящий в основном из базальта (горной породы глубинного происхождения). В этом слое больше кальция, магния и железа. Данные три слоя содержат в себе все полезные ископаемые, которые использует человек. Толщина земной коры колеблется от 5 км (под океанами) до 75 км (под материками). Кора Земли составляет примерно 1% от общего её объёма.
Мантия
Находится под корой и окружает ядро. Составляет 83% от общего объёма планеты. Разделяется мантия на верхнюю (на глубине 800-900 км) и нижнюю (на глубине 2900 км) части. Из верхней части образуется магма, о которой мы упоминали выше. Состоит мантия из плотных силикатных пород, в которых содержатся кислород, магний и кремний. Также на основе сейсмологических данных, учёные пришли к заключению, что в основе мантии существует попеременно прерывающийся слой, состоящий из гигантских континентов. А они, в свою очередь, могли сформироваться в результате смешивания пород самой мантии с веществом ядра. Но ещё одним вариантом является то, что эти области могут представлять дно древних океанов. Нот это уже детали. Далее геологическое строение Земли продолжается ядром.
Ядро
Образование ядра объясняют тем, что в ранний исторический период Земли вещества с наибольшей плотностью (железо и никель) осели в центр и образовали ядро. Оно является наиболее плотной частью, представляющей строение Земли. Делится на расплавленное внешнее ядро (толщиной примерно 2200 км) и твёрдое внутреннее (диаметром примерно 2500 км). Составляет 16% от всего объёма Земли и 32% от всей её массы. Его радиус равен 3500 км. То, что происходит внутри ядра, мало поддаётся представлению - здесь температура свыше 3000°С и колоссальное давление.
Конвекция
Тепло, которое было накоплено за время образования Земли, и по сей день выделяется из её глубин по мере того, как охлаждается ядро и распадаются радиоактивные элементы. Не выходит оно на поверхность лишь благодаря тому, что есть мантия, породы которой имеют прекрасную теплоизоляцию. Но это тепло приводит в движение само вещество мантии - сначала раскалённые породы поднимаются вверх от ядра, а затем, охлаждаясь ею, снова возвращаются. Этот процесс называется конвекцией. Её результатом являются извержения вулканов и землетрясения.
Магнитное поле
Расплавленное железо, находящееся во внешнем ядре, обладает циркуляцией, которая создаёт электрические токи, порождающие магнитное поле Земли. Оно распространяется в космические дали и создаёт вокруг Земли магнитную оболочку, которая отражает потоки солнечного ветра (заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем) и защищает живые существа от смертельных излучений.
Откуда данные
Вся информация получается с помощью различных геофизических методов. На поверхности Земли сейсмологами (учёными, изучающими колебания Земли) устанавливаются сейсмологические станции, где регистрируются любые колебания земной коры. Наблюдая за активностью сейсмических волн в разных точках Земли, мощнейшие компьютеры воспроизводят картину того, что происходит в глубинах планеты аналогично тому, как рентген ”просвечивает” тело человека.
В заключение
Мы лишь немного поговорили о том, каково строение Земли. На самом деле изучать данный вопрос можно очень долго, т.к. он полон нюансов и особенностей. Для этой цели и существуют сейсмологи. Остальным же достаточно иметь о её строении общую информацию. Но ни в коем случае нельзя забывать о том, что планета Земля - это наш дом, без которого не было бы и нас. И относиться к ней нужно с любовью, уважением и заботой.
Характерная черта эволюции Земли — дифференциация вещества, выражением которой служит оболочечное строение нашей планеты. Литосфера, гидросфера, атмосфера, биосфера образуют основные оболочки Земли, отличающиеся химическим составом, мощностью и состоянием вещества.
Внутреннее строение Земли
Химический состав Земли (рис. 1) схож с составом других планет земной группы, например Венеры или Марса.
В целом преобладают такие элементы, как железо, кислород, кремний, магний, никель. Содержание легких элементов невелико. Средняя плотность вещества Земли 5,5 г/см 3 .
О внутреннем строении Земли достоверных данных весьма мало. Рассмотрим рис. 2. Он изображает внутреннее строение Земли. Земля состоит из земной коры, мантии и ядра.
Рис. 1. Химический состав Земли
Рис. 2. Внутреннее строение Земли
Ядро
Ядро (рис. 3) расположено в центре Земли, его радиус составляет около 3,5 тыс км. Температура ядра достигает 10 000 К, т. е. она выше, чем температура внешних слоев Солнца, а его плотность составляет 13 г/см 3 (сравните: вода — 1 г/см 3). Ядро предположительно состоит из сплавов железа и никеля.
Внешнее ядро Земли имеет большую мощность, чем внутреннее (радиус 2200 км) и находится в жидком (расплавленном) состоянии. Внутреннее ядро подвержено колоссальному давлению. Вещества, слагающие его, находятся в твердом состоянии.
Мантия
Мантия — геосфера Земли, которая окружает ядро и составляет 83 % от объема нашей планеты (см. рис. 3). Нижняя ееграница располагается на глубине 2900 км. Мантия разделяется на менее плотную и пластичную верхнюю часть (800-900 км), из которой образуется магма (в переводе с греческого означает «густая мазь»; это расплавленное вещество земных недр — смесь химических соединений и элементов, в том числе газов, в особом полужидком состоянии); и кристаллическую нижнюю, тол- шиной около 2000 км.
Рис. 3. Строение Земли: ядро, мантия и земная кора
Земная кора
Земная кора - внешняя оболочка литосферы (см. рис. 3). Ее плотность примерно в два раза меньше, чем средняя плотность Земли, — 3 г/см 3 .
От мантии земную кору отделяет граница Мохоровичича (ее часто называют границей Мохо), характеризующаяся резким нарастанием скоростей сейсмических волн. Она была установлена в 1909 г. хорватским ученым Андреем Мохоровичичем (1857- 1936).
Поскольку процессы, происходящие в самой верхней части мантии, влияют на движения вещества в земной коре, их объединяют под общим названием литосфера (каменная оболочка). Мощность литосферы колеблется от 50 до 200 км.
Ниже литосферы располагается астеносфера — менее твердая и менее вязкая, но более пластичная оболочка с температурой 1200 °С. Она может пересекать границу Мохо, внедряясь в земную кору. Астеносфера — это источник вулканизма. В ней находятся очаги расплавленной магмы, которая внедряется в земную кору или изливается на земную поверхность.
Состав и строение земной коры
По сравнению с мантией и ядром земная кора представляет собой очень тонкий, жесткий и хрупкий слой. Она сложена более легким веществом, в составе которого в настоящее время обнаружено около 90 естественных химических элементов. Эти элементы не одинаково представлены в земной коре. На семь элементов — кислород, алюминий, железо, кальций, натрий, калий и магний — приходится 98 % массы земной коры (см. рис. 5).
Своеобразные сочетания химических элементов образуют различные горные породы и минералы. Возраст самых древних из них насчитывает не менее 4,5 млрд лет.
Рис. 4. Строение земной коры
Рис. 5. Состав земной коры
Минерал — это относительно однородное по своему составу и свойствам природное тело, образующееся как в глубинах, так и на поверхности литосферы. Примерами минералов служат алмаз, кварц, гипс, тальк и др. (Характеристику физических свойств различных минералов вы найдете в приложении 2.) Состав минералов Земли приведен на рис. 6.
Рис. 6. Общий минеральный состав Земли
Горные породы состоят из минералов. Они могут слагаться как из одного, так и из нескольких минералов.
Осадочные горные породы - глина, известняк, мел, песчаник и др. — образовались путем осаждения веществ в водной среде и на суше. Они лежат пластами. Геологи называют их страницами истории Земли, так как но ним можно узнать о природных условиях, существовавших на нашей планете в давние времена.
Среди осадочных горных пород выделяют органогенные и неорганогенные (обломочные и хемогенные).
Органогенные горные породы образуются в результате накопления останков животных и растений.
Обломочные горные породы образуются в результате выветривания, псрсотложсния с помощью воды, льда или ветра продуктов разрушения ранее возникших горных пород (табл. 1).
Таблица 1. Обломочные горные породы в зависимости от размеров обломков
|
Название породы |
Размер облом кон (частиц) |
|
Более 50 см |
|
|
5 мм — 1 см |
|
|
1 мм — 5 мм |
|
|
Песок и песчаники |
0,005 мм — 1 мм |
|
Менее 0,005 мм |
Хемогенные горные породы формируются в результате осаждения из вод морей и озер растворенных в них веществ.
В толще земной коры из магмы образуются магматические горные породы (рис. 7), например гранит и базальт.
Осадочные и магматические породы при погружении на большие глубины под влиянием давления и высоких температур подвергаются значительным изменениям, превращаясь в метаморфические горные породы. Так, например, известняк превращается в мрамор, кварцевый песчаник — в кварцит.
В строении земной коры выделяют три слоя: осадочный, «гранитный», «базальтовый».
Осадочный слой (см. рис. 8) образован в основном осадочными горными породами. Здесь преобладают глины и глинистые сланцы, широко представлены песчаные, карбонатные и вулканогенные породы. В осадочном слое встречаются залежи таких полезных ископаемых, как каменный уголь, газ, нефть. Все они органического происхождения. Например, каменный уголь -это продукт преобразования растений древних времен. Мощность осадочного слоя колеблется в широких пределах — от полного отсутствия в некоторых районах суши до 20-25 км в глубоких впадинах.
Рис. 7. Классификация горных пород по происхождению
«Гранитный» слой состоит из метаморфических и магматических пород, близких по своим свойствам к граниту. Наиболее распространены здесь гнейсы, граниты, кристаллические сланцы и др. Встречается гранитный слой не везде, но на континентах, где он хорошо выражен, его максимальная мощность может достигать нескольких десятков километров.
«Базальтовый» слой образован горными породами, близкими к базальтам. Это метаморфизованные магматические породы, более плотные по сравнению с породами «гранитного» слоя.
Мощность и вертикальная структура земной коры различны. Выделяют несколько типов земной коры (рис. 8). Согласно наиболее простой классификации различают океаническую и материковую земную кору.
Континентальная и океаническая кора различны по толщине. Так, максимальная толщина земной коры наблюдается под горными системами. Она составляет около 70 км. Под равнинами мощность земной коры составляет 30-40 км, а под океанами она наиболее тонкая — всего 5-10 км.
Рис. 8. Типы земной коры: 1 — вода; 2- осадочный слой; 3 — переслаивание осадочных пород и базальтов; 4 — базальты и кристаллические ультраосновные породы; 5 — гранитно-метаморфический слой; 6 — гранулитово-базитовый слой; 7 — нормальная мантия; 8 — разуплотненная мантия
Различие континентальной и океанической земной коры по составу пород проявляется в том, что гранитный слой в океанической коре отсутствует. Да и базальтовый слой океанической коры весьма своеобразен. По составу пород он отличен от аналогичного слоя континентальной коры.
Граница суши и океана (нулевая отметка) не фиксирует перехода континентальной земной коры в океаническую. Замещение континентальной коры океанической происходит в океане примерно на глубине 2450 м.
Рис. 9. Строение материковой и океанической земной коры
Выделяют и переходные типы земной коры — субокеаническую и субконтинентальную.
Субокеаническая кора расположена вдоль континентальных склонов и подножий, может встречаться в окраинных и средиземных морях. Она представляет собой континентальную кору мощностью до 15-20 км.
Субконтинентальная кора расположена, например, на вулканических островных дугах.
По материалам сейсмического зондирования - скорости прохождения сейсмических волн — мы получаем данные о глубинном строении земной коры. Так, Кольская сверхглубокая скважина, впервые позволившая увидеть образцы пород с глубины более 12 км, принесла много неожиданного. Предполагалось, что на глубине 7 км должен начаться «базальтовый» слой. В действительности же он обнаружен не был, а среди горных пород преобладали гнейсы.
Изменение температуры земной коры с глубиной. Приповерхностный слой земной коры имеет температуру, определяемую солнечным теплом. Это гелиометрический слой (от греч. гелио — Солнце), испытывающий сезонные колебания температуры. Средняя его мощность — около 30 м.
Ниже расположен еще более тонкий слой, характерной чертой которого является постоянная температура, соответствующая среднегодовой температуре места наблюдений. Глубина этого слоя увеличивается в условиях континентального климата.
Еще глубже в земной коре выделяется геотермический слой, температура которого определяется внутренним теплом Земли и с глубиной возрастает.
Увеличение температуры происходит главным образом за счет распада радиоактивных элементов, входящих в состав горных пород, прежде всего радия и урана.
Величину нарастания температуры горных пород с глубиной называют геотермическим градиентом. Он колеблется в довольно широких пределах — от 0,1 до 0,01 °С/м — и зависит от состава горных пород, условий их залегания и ряда других факторов. Под океанами температура с глубиной нарастает быстрее, чем на континентах. В среднем с каждыми 100 м глубины становится теплее на 3 °С.
Величина, обратная геотермическому градиенту, называется геотермической ступенью. Она измеряется в м/°С.
Тепло земной коры — важный энергетический источник.
Часть земной коры, простирающаяся ло глубин, доступных для геологического изучения, образует недра Земли. Недра Земли требуют особой охраны и разумного использования.
