ЛЕКЦИЯ № 3

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЗЕМЛИ

Верхняя часть земного шара состоит из трех оболочек - геосфер (греч. «ге» - земля, «сфера» - шар): газовой - атмосферы (греч. «атмос» - пар), водной - гидросферы («гидор» - вода) и каменной - литосферы (греч. «литос» - камень), слагающей самую верхнюю часть твердых недр. Недра Земли подразделяются на земную кору, промежуточную оболочку - мантию (греч. «мантион» - покрывало) и ядро. В верхней частя мантии выделяется размягченная, видимо, расплавленная оболочка - астеносфера (греч. «астенос» - слабый). Залегающая над ней твердая часть мантии вместе с земной корой обычно выделяется как «литосфера» (греч. «литос» - камень).

Земля обладает различными физическими свойствами. Важнейшими из них являются гравитационное поле, плотность, давление, магнитное поле, тепловое поле и упругость.

Гравитационное поле.

Все предметы, обладающие массой, на поверхности и вблизи Земли испытывают силу ее притяжения. Пространство, в пределах которого проявляются силы земного притяжения, называется «гравитационным (лат. «гравитас» - тяжесть) полем» или «полем силы тяжести». Сила тяжести тесно связана с формой Земли. Каждой точке на ее поверхности свойственна определенная величина силы тяжести. Она является равнодействующей двух сил - силы притяжения всей Земли и центробежной силы, образующейся за счет вращения земного шара. Если эти силы отнести к единице массы, получим ускорение силы тяжести.

Сила тяжести обусловлена и характером распределения масс в недрах планеты. Исходя из предположения, что Земля является однородным телом, для каждой точки земной поверхности может быть рассчитана теоретическая величина силы тяжести. Но в действительности массы вещества распределяются в земной коре неравномерно. В центре Земли сила тяжести равна нулю.

Земное притяжение является причиной свободного падения тел. Падающее тела испытывает нарастающее - по мере приближения к поверхности Земли - ускорение падения. При отсутствии сопротивления воздуха разные тела падают с одним и тем же ускорением, не зависящим от их массы. Этот закон впервые установил итальянский ученый Галилео Галилей (1564-1642). В его честь единица ускорения свободного падения, или ускорения силы тяжести, названа «галом». 1 гал равен 1 см/с². На поверхности Земли ускорение свободного падения возрастает от экватора (978,04 гал) к полюсам (983,24 гал). Среднее значение ускорения силы тяжести равно 979,70 гал. У границы мантии с ядром ускорение силы тяжести, по расчетам, достигает 1037 гал. Затем оно существенно уменьшается до нуля в центре ядра. На практике чаще используется одна тысячная доля гала - миллигал. Обычно фактическое ускорение свободного падения в любой точке на поверхности Земли отличается от теоретически вычисленного значения. Отклонения между этими величинами, связанные с неоднородностями вещества внутри Земли, называются «гравитационными аномалиями» (греч. «а» - отрицание, «номос» - закон).

Гравитация связывает все тела во Вселенной. Взаимное притяжение Луны и Земли, например, имеет силу приблизительно 2х10¹⁶т. Изучение гравитационных аномалий позволяет косвенно судить о строении земных недр.

Над участками, сложенными относительно легкими породами (граниты, мощные толщи осадочных пород), сила тяжести уменьшается (отрицательная аномалия), а над участками, сложенными более тяжелыми породами (например, базальты), она увеличивается (положительная аномалия). Так, например, над относительно молодыми горами (Кавказ) наблюдается отрицательная аномалия, а над Тихим океаном – положительная. Как будет показано ниже, материки и горные области сложены в основном гранитами и осадочными породами, а дно океанов - базальтами.

Измеряется сила тяжести при помощи специальных приборов - гравиметров и на основании этих измерений составляются гравиметрические карты, выявляющие связь между силой тяжести и геологическим строением местности.

Проявление силы тяжести очень многообразно, оно сказывается на всех процессах, происходящих на планете. В частности, при меньших значениях силы тяжести Земля не могла бы удержать воздушную и водную оболочки, а при больших - на ней удерживались бы в большом количестве такие газы, как водород, гелий, метан и др. Последствия для
жизни при обоих вариантах легко представить.

Плотность.

Подсчитано, что масса Земли составляет 5,98х10²⁷ г, а объем - 1,083х10²⁷ см³. Плотность - это масса единичного объема. Следовательно, средняя плотность вещества Земли равна 5,52 г/см³.

Фактическая плотность горных пород, слагающих верхнюю оболочку -земную кору, не превышает 2,9 г/см³. Например, плотность гранита 2,8 г/см³. Это означает, что плотность вещества глубинных недр должна быть значительно выше. Поскольку глубинные слои Земли недоступны для непосредственного наблюдения, их свойства изучаются косвенными методами, в честности, данные о плотности глубинных слоев получены сейсморазведкой, т. е. по скорости прохождения продольных и поперечных сейсмических волн. По подсчетам ученых, ниже границы земной коры при переходе в верхнюю мантию плотность горных пород возрастает до 3,3-3,4 г/см³. А на глубине 2900 км (граница мантии и ядра) плотность вещества Земли равна 5,5-5,7 г/см³. Непосредственно ниже этой границы плотность скачкообразно возрастает до 9,7-10,0 г/см³. Затем повышается до 11,0-11,5 г/см³. В центре Земли плотность вещества, возможно, превышает 12,5-13,0 г/см³.

Давление.

В соответствии с изменением плотности было подсчитано и изменение давления с глубиной. Большая плотность вещества земных недр обусловлена тем, что с глубиной земное вещество испытывает воздействие давления вышележащих толщ горных пород. Расчеты показали, что на глубине 50 км (верхняя граница мантии) оно составляет 20 тыс. атм._: на глубине 2900 км (подошва мантии) - 1,Зх10⁶ атм., на внешней границе субъядра - 3,1х10⁶ атм., а в центре Земли достигает гигантских размеров - 3,6x10⁶ атм. (максимально достигнутые давления в лаборатории не превышают 500 тыс. атм.).

Магнитное поле.

Земной шар окружен магнитным полем. С помощью геофизических ракет и искусственных спутников установлено, что оно простирается над Землей на 20-25 радиусов Земли. Земное магнитное поле образует в верхних слоях атмосферы пояс радиации. Он задерживает выбрасываемые Солнцем мощные потоки заряженных космических частиц (протонов, альфа-частиц и др.), не пропуская их к поверхности Земли.

Земля подобна сферическому магниту, имеющему два магнитных полюса - северный и южный, что отличает ее от других планет земной группы. Луна и Марс лишены магнитного поля ввиду отсутствия у них ядра, а Венера не имеет существенного магнетизма в связи с медленным осевым вращением. Следовательно, рождение магнитного поля Земли связано с перемещением вещества внешнего ядра, которое в результате осевого вращения образует гигантские кольцевые вихри, направленные параллельно экватору. Эти механические движения генерируют мощные электрические токи, которые и образуют магнитное поле, т. е сферическое пространство, в котором и проявляются магнитные силы.

Магнитные силовые линии «выходят» из северного полюса и, огибая земной шар, «собираются» на его южном полюсе. Ось магнита наклонена к оси вращения Земли на 11,5°. В силу этого магнитные полюса не совпадают с географическими полюсами. Установлено, что в течение истории Земли северный магнитный полюс не оставался на одном месте, а блуждал по земной поверхности.

Напряженность или интенсивность магнитного поля в атмосфере убывает пропорционально кубу расстояния: на высоте 15 км от поверхности она слабее в 40 раз, а на высоте 90 км - в 10 тыс. раз.

Магнитное поле у поверхности Земли характеризуется в основном двумя показателями - магнитное склонение и магнитное наклонение. Свободно подвешенная на горизонтальной оси магнитная стрелка на магнитных полюсах устанавливается вертикально, а на одинаковом расстоянии от полюсов стрелка располагается горизонтально. Линия на поверхности Земли, на которой магнитная стрелка занимает горизонтальное положение называется магнитным экватором. Поскольку магнитные полюсы смещены относительно географических, Магнитный экватор также не совпадает с географическим: в Африке и Азии он проходит севернее географического, а в Америке - южней. И этот угол между вертикально вращающейся магнитной стрелкой и плоскостью горизонта называется магнитным наклонением, а линии одинакового наклонения изоклинами. Между магнитными полюсами и экватором на-клонение меняется от 90° (полюсы) до 0° (экватор). Обычно в северном полушарии оно обозначается знаком плюс, в южном - минус.

Поскольку магнитный меридиан не совпадает с географическим, между ними образуется угол, который называется магнитным склонением Склонение отсчитывается по северному концу магнитной стрелки и может быть западным (обозначается "-") или восточным (обозначается "+"). Линии на карте одинакового магнитного склонения называются изогонами, что крайне важно учитывать при навигации. Оба полушария делит нулевая изогона, т. е. линия нулевых значений магнитного склонения, которая проходит по середине обеих Америк, а в Евразии проделывает очень сложный путь: от Шпицбергена и Скандинавии через Восточную Европу, Сомали, а далее делает крупную петлю - через Индию на север, огибает Восточно-Сибирские о-ва, пересекает Чукотку, Индокитай, Австралию, выходит на южный магнитный полюс. Все это создает большие трудности для пользования компасом.

Для каждой точки земной поверхности рассчитывается теоретическое значение магнитного поля, исходя из однородного строения Земли. Но в действительности, магнитное поле в различных местах не одинаково. Обычно оно отличается от теоретически вычисленного для данной местности среднего значения. Такие отклонения называются магнитными аномалиями. Они обусловлены, в частности, подземными залежами магнитных пород и руд. Примером может служить крупнейшая Курская магнитная аномалия (КМЛ). В ее пределах под земной поверхностью скрывается уникальное месторождение железистых кварцитов. Они создают магнитную напряженность, в пять раз превышающую среднюю напряженность магнитного поля Земли.

Тепловое поле.

Земля, с одной стороны, получает огромное количество тепловой энергии от Солнца. С другой стороны, из недр к поверхности Земли непрерывно восходит тепловой поток. Вулканические извержения, высокие температуры в глубоких шахтах и буровых скважинах указывают на то, что температура земных недр с глубиной возрастает. Косвенным путем установлено, что первичные очаги вулканов располагаются на глубинах около 100 км. Здесь земное вещество находится в расплавленном состоянии. Температура его плавления около 1200 °С.

Источниками земного тепла, по-видимому, являются распад радиоактивных элементов, энергия гравитационной дифференциации вещества, тектонических движений и химических реакций, протекающих в недрах Земли, а также энергия перехода вещества из одного фазового состояния в другое и т.п. По некоторым расчетам, на глубине около 400 км температура недр составляет 1600 °С. На глубине 2900 км (граница мантии и ядра) она, вероятно, превышает 2500 °С. А в центре Земли, возможно, достигает 4000-5000 °С.

Числовая характеристика приращения температуры на единицу расстояния (глубины) называется геотермическим градиентом. Температура с глубиной нарастает неравномерно: в литосфере она стремительно растет, а глубже приращение температуры снижается (см. рис.3). Это отражается и на геотермическом градиенте: в земной коре градиент составляет примерно 30˚С/км, в литосфере - 6-10˚С/км, в мантии -0,5°С/км и в ядре 0,2°С/км. Расчетные данные специалистов о температуре на больших глубинах существенно разнятся, но все согласны с тем, что с глубиной рост температуры замедляется, иначе происходило бы расплавление вещества и нарушение магнитных свойств Земли. По расчетам известного геофизика В. А. Магницкого температура на глубине 100 км равна 1300°С, близ верхней границы мантии (400 км) -1700˚С, на границе мантии и ядра (2900 км) - 35О0°С и в центре Земли - 5000°С. Впрочем, существуют и другие точки зрения на изменения температуры с глубиной, в частности, высказано предположение, что максимальная температура (4000°С) приходится на подошву мантии (2500 - 2900 км), а ниже температура постепенно падает и в центре Земли она составляет 2600°С. Расхождения во взглядах на распределение температур с глубиной связаны от принимаемых моделей строения Земли. Но, несмотря на эти различия, всеми признается, что глубинное тепло - главная энергетическая машина, определяющая динамику, эволюцию и облик современной поверхности Земли.

Несмотря на общий разогрев планеты, земная кора медленно охлаждается. От земной поверхности отражается значительная часть поступающей на Землю Солнечной энергии. Земля излучает в космическое пространство и свое внутреннее тепло. Солнце прогревает Землю лишь на глубину 28-30 м. На значительной части приповерхностной зоны Земли существует область вечной мерзлоты, или криолитозона (греч. «криос» - холод). Она характеризуется отрицательной температурой почв и горных пород и наличием подземных льдов. Это следы грандиозных оледенений, неоднократно охватывавших нашу планету за последние 2 млн. лет, и особенно интенсивно в последний миллион лет. Тогда ледяные покровы в Европе продвигались южнее Киева и Воронежа, а в Северной Америке занимали большую ее часть. Всего лишь 10 тыс. лет назад ледяным панцирем целиком были покрыты Скандинавия и Карелия.

В зоне мерзлых пород находится около четверти всей суши земного шара и 60% территории России. На севере они лежат сплошным пластом, южнее - в виде островов. По времени существования выделяют области многолетнего и сезонного промерзания пород. Летом слой почвы оттаивает не более, чем на 2 м, а глубже залегают ледяной грунт, промерзшие породы. Нижней границей криолитозоны является поверхность с температурой 0°С. Глубина ее залегания - от нескольких метров в умеренных широтах до нескольких километров в высоких. В северных районах Сибири и Канады криолитозона уходит на глубину до 700 м. На 1500 м в глубь земной коры ушла зона отрицательных температур в 450 км севернее алмазной столицы Якутии - г. Мирный. На той же широте у Верхоянска толща мерзлоты всего 250 м, а в одном месте даже 70.

Упругость

Упругость - это свойство вещества сопротивляться растяжению и сжатию. Чем плотнее вещество, тем сильнее оно сопротивляется изменению объема и формы под воздействием внешнего давления.

Упругие свойства горных пород используются с целью изучения земных недр с помощью сейсмического метода. Суть метода заключается в следующем. Под воздействием естественных или искусственных сотрясений почвы частицы земного вещества испытывают упругие колебания. Они последовательно принимают (сжимаясь) и передают (разжимаясь) друг другу эти колебания. Так возникают упругие (сейсмические) волны. Они распространяются в разные стороны из очага землетрясения или пункта искусственного сотрясения почв.

Сейсмические волны подразделяются на объемные и поверхностные. Объемные волны получили свое название потому, что пронизывают весь объем Земли. Поверхностные волны распространяются вдоль земной поверхности.

Различают продольные и поперечные объемные волны. В продольных волнах упругие колебания частиц горных пород происходят в направлении распространения сейсмической волны. Они возникают во всех средах - твердой, жидкой и газообразной как следствие их реакции на внезапное изменение объема.

В поперечных волнах частицы вещества смещаются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения сейсмической волны. Поперечные колебания частиц возникают только в твердых телах в результате изменения формы среды. Жидкости и газы не обладают необходимой для движения поперечных волн упругостью и изменению формы не сопротивляются. Поэтому в газах и жидкостях поперечные волны не распространяются.

Сейсмические волны распространяются в недрах с различной скоростью. Продольные волны «бегут» в 1,7 раза быстрее поперечных волн. Вследствие этого продольные волны всегда приходят к поверхности Земли первыми. Отсюда их другое название - «первичные», или волны Р (лат. «прима» - первая). Поперечные волны именуются «вторичными», или волнами S (лат. «секунда» - вторая), так как они приходят вторыми.

Если бы Земля состояла до самого ядра из однородного вещества, то скорость распространения сейсмических колебаний в недрах с глубиной не изменялась бы. В действительности сейсмические волны, распространяясь в глубь Земли из очага землетрясения или пункта искусственного сотрясения почв, встречают на различной глубине неоднородные по плотности и составу среды. Часть волн отражается от их границ, как от экрана, и возвращается на поверхность Земли (рис. 3). Такие волны называются «отраженными». Другие волны преломляются на поверхности раздела сред с различной плотностью и проходят далее а глубь Земли. «Преломленные» волны могут затем, в свою очередь, отразиться от более глубоких плотностных границ.

Рис. 3. Пути основных сейсмологических волн в теле Земли; Р - продольные волны, отраженные от земной поверхности; PР - продольные волны, отраженные от ядра; РКР - продольные волны, прошедшие ядро (нем. Керн - ядро); S - поперечные волны; SS - поперечные волны, отраженные от поверхности; О - очаг землетрясения

Возвратившиеся к земной поверхности отраженные и преломленные волны улавливаются здесь специальными приборами - сейсмографами. Они непрерывно ведут запись упругих колебаний земных недр, вызванных землетрясением или взрывом. Графическая запись их называется «сейсмограммой» (греч. «сейсмос» - трясенше, «грамма» - запись). С помощью сейсмограмм определяются глубина залегания очага землетрясения и границы отражения и преломления в недрах сейсмических волн.