ЛЕКЦИЯ 2

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ЗЕМЛИ

Геофизические поля Земли и их значение

Представления о строении и составе внутренних оболочек Земли основывается на комплексных геофизических исследованиях недр. Главным из них является сейсмический метод (от греч «сейсма» – сотрясение).

По данным сейсмического зондирования, исходя из скоростей прохождения сейсмических волн, выделяют три главные сферы Земли: земной коры, мантии и внешнего и внутреннего ядра. И сферы отделены одна от другой поверхностями раздела, в которых резко меняются величины скоростей прохождения сейсмических волн. Разрез земного шара с указанием мощности оболочек представлен на рис. 2.

Земля состоит из нескольких оболочек – геосфер, причинами расслоения Земли послужили:

А) ее размеры – происходило гравитационное сжатие, расплавление вещества Земли и его перераспределение по удельному весу;

Б) вращение – вследствие этого возникли силы притяжения и отталкивания (центробежные и центростремительные силы)

Как следствие этих двух процессов, вещество Земли расслоилось, образовались внешние (литосфера, атмосфера, гидросфера, биосфера) и внутренние (земная кора, мантия, ядро) оболочки Земли (рис. 2).

Рис.. 2.. Внутреннее строение Земли

Земная кора имеет толщину 5–40 км, мантия – 2900 км, внешнее ядро – 2220 км, радиус внутреннего ядра равен 1255 км.

Земная кора – это верхний твердый слой Земли, который располагается между поверхностью и верхней мантией. Земная кора представляет собой наиболее активный слой твердого тела Земли – сферу деятельности внешних (экзогенных) и внутренних (эндогенных) процессов.

Земная кора, тонкая в планетарном масштабе, но важная как источник минеральных ресурсов или полезных ископаемых. Земная кора в классическом варианте отождествляется с понятием литосферы, т.е. самой верхней каменной оболочкой Земли. Ее верхняя граница проводится по поверхности суши и дну морей и океанов, а нижняя – по поверхности Мохоровичича (названа в честь югославского геофизика-сейсмолога) или Мохо (рис. 3). Граница эта находится на глубинах 30–80 км в области континентов, 15–5 км в области океанов.

Земная кора, располагающаяся выше границы Мохо, слагается всеми известными горными породами – магматическими, осадочными и метаморфическими. Средняя мощность земной коры примерно около 20 км; под океанами 10 км, а под материками 43 км (табл. 2, рис. 2,3).

Таблица 2

Строение земной коры

Континентальная земная кора

Океаническая земная кора

Площадь – 28% (149,2 млн км² )

Состоит из трех слоев:

Осадочный – 1-10 км

Гранитный – 10-15 км

Базальтовый – 15-35 км

Итого: 30-60 км (иногда до 80 км)

Ср. плотность – 2,7 г/см³

Максимальный возраст – 3,5 млрд лет

Площадь – 72% (365 млн км² )

Состоит из двух слоев:

осадочный – 2-5 км

базальтовый – 5-10 км

итого: 6-15 км

Ср. плотность – 3 г/см³

Максимальный возраст – 100-300 млн лет

По последним научным данным принято считать, что земная кора является лишь частью литосферы. Литосфера включает земную кору и самую верхнюю, наиболее упругую часть мантии мощностью около 100 км

Литосфера – каменная оболочка Земли, включает земную кору и верхнюю мантию. В пределах литосферы идут одновременно два разнонаправленных процесса: на дне океана вещество перемещается в верхнюю мантию, а под континентами вещество перемещается вверх.

Литосферу непосредственно подстилает более пластичный и подвижный слой верхней мантии – астеносфера (от греч. «астенос» - «слабый». Здесь породы находятся в расплавленном состоянии, которые могут медленно течь. Глубина ее залегания 150 км. Именно литосфера и астеносфера являются главными проявлениями тектонических процессов.

Движение литосферы выражаются в перемещении отдельных ее участков в вертикальном (поднятия и опускания) или горизонтальном направлении по пластичному слою мантии – астеносфере. В связи с этим получает признание новейшая геологическая теория, рассматривающая литосферу Земли как систему подвижных блоков – литосферных плит.

Земная кора в горизонтальном направлении, в свою очередь, делится на два типа: континентальную и океаническую (рис. 3). Первая состоит из трех слоев: «осадочного», «гранитного» и «базальтового». Океаническая кора рассматривается как двухслойная (без «гранитной» части) мощностью 10 км. Земная кора состоит на 95% из изверженных пород (базальтов и гранитов), на 5 % – из осадочных пород. Наиболее важной формой химических элементов в земной коре являются минералы. Накопление какого-либо элемента выше его среднего содержания ведет к образованию месторождения полезного ископаемого.

Рис. 3. Разрез земной коры (литосферы)

Как в пределах континентов, так и под дном морей и океанов выделяются подвижные участки и относительно устойчивые площади земной коры.

К подвижным поясам континентов относятся молодые горные сооружения, такие как Альпы, Карпаты, Кавказ, Памир, Гималаи и т.д. В океанах подвижными поясами называют срединно-океанические хребты, а также островные дуги (Курильская, Японская) и глубоководные желоба. В их пределах зафиксированы самые глубокие области Земли, глубина которых превышает 8000 м.

На континентах к устойчивым областям относятся платформы – Восточно-европейская, Сибирская Африканская, Австралийская и другие платформы.

Мантия занимает до 82% объема нашей планеты. Она также делится на слои:

верхняя мантия состоит из силикатных пород (соединения кремния), железа (Fe) и магния (Mg),здесь находится источник вещества земной коры и корни вулканов.

средняя мантия – в химическом отношении она состоит из тех же элементов, что и верхняя, но вследствие увеличения давления с глубиной, происходит уплотнение вещества мантии;

нижняя мантия – здесь электроны атомов химических элементов настолько сближаются, что вещество мантии металлизируется и постепенно переходит в вещество ядра.

Ядро – оно делится на две части, внешнее ядро находится на глубине 2900 км, оно состоит из железа (Fe) и магния (Mg) и внутреннее ядро начинается на глубине 4980 км и состоит целиком из неизвестного пока науке вещества – кристаллического железа (Fe), оно универсально металлическое, сверхтвердое, вследствие чего обладает магнитными свойствами;

По современным оценкам, в ядре Земли при давлениях свыше 1,5 Мбар железо, никель и сера находятся в жидкой форме, но это только во внешней части ядра. А его внутренняя часть, как бы «желток» планеты, состоит из железоникелевого сплава и ведет себя как «твердь». Температура здесь около 10 000 ⁰ С, а давление в центре достигает 3 млн. атмосфер. На внешнюю часть ядра приходиться около 30% всей массы планеты, а на внутреннюю 1,7% массы.

Вывод о дифференцировании (расслоении) вещества, а также представления о формировании земной коры и атмосферы в процессе выплавления и дегазации можно считать общим принципом формирования планет Земной группы.

Геофизические поля Земли и их значение

Гравитационное поле. Гравитация (от лат. gravitas – тяжесть), явление взаимодействия любых материальных масс (обычным веществом, любыми физическими полями и т.д.). Если сила взаимодействия относительно слабая, а тела движутся мед- ленно по сравнению со скоростью света в вакууме, то справедлив закон все- мирного тяготения Ньютона. В случае сильных полей и скоростей пользуются общей теорией относительности А. Эйнштейна.

Закон всемирного тяготения Ньютона определяет форму и законы движения небесных тел и связан по теории относительности с пространственно- временным масштабом Вселенной. Гравитация связывает все тела во Все- ленной. Космический корабль, на котором господствует невесомость, все равно притягивается Землей. Сила земного притяжения удерживает его на орбите вокруг Земли. Гравитационное поле Земли обусловило сферическую форму Земли, существование атмосферы.

Рассмотрим изменение силы тяжести в пространстве. Мы знаем из физики, что ускорение свободного падения на экваторе меньше, чем на полюсах. По современным данным его значение на экваторе составляет 978 Гал, а на полюсах – 983 Гал (Гал – единица измерения ускорение свободного падения, названная в честь Галилео Галилея; 1 Гал = 1 см/с²). Причина этого в том, что Земля немного сплюснута у полюсов. Ускорение силы тяжести на поверхности Луны равно 162, 2 Гал.

Все, что обладает массой, должно испытывать действие гравитации. Пре- град для всемирного тяготения не существует. Физики называют гравитационные силы дальнодействующими.

Мы не ощущаем притяжения большинства тел. Например, сила притяжения самых высоких гор (восьми тысячники в Азии – Эверест, Чогори и т.д.) составляет тысячные доли процента притяжения Земли.

Нужна ли растению сила тяжести? Для развития растений тяготение, пусть даже малое, жизненно необходимо. О силах природы, заставляющих корень стремиться к центру планеты, а стебель – в противоположном направлении, думали многие ученые. Они признавали, что единственной причиной этого является земное притяжение.

Сила тяжести изменяется и во времени. Самое простое и общеизвестное изменение силы тяжести связано с гравитационным влиянием Луны и Солнца. Близость крупного спутника оказывает на Землю сильное и благотворное влияние. Например, Луна вызывает приливы, которые своим трением замедляют вращение Земли вокруг собственной оси.

Океанические приливы: луна притягивает воду океанов, вызывая ее подъем с ближайшей к себе стороны – прилив. Одновременно притягивается и наша планета, поэтому с обратной от Луны стороны тоже наступает прилив. Выше всего приливы во время полнолуния и новолуния (эти фазы называют сизигиями), ниже всего – во время четвертей Луны (квадратур).

Ежедневные приливные колебания уровня моря на Земле определяются Луной и в меньшей степени Солнцем. Их гравитационное притяжение приводит в движение всю массу воды на планете. Но амплитуда прилива зависит от места и времени взаимного расположения Земли, Луны и Солнца. В Средиземном море вода поднимается и опускается всего на несколько см, а в заливе Фанди на востоке Канады – на 20 м: это мировой рекорд.

Закон всемирного тяготения стал основой гравиметрии – одного из методов современной геофизики при поисках полезных ископаемых. Гравиметрия основана на изучении аномального гравитационного поля, обусловленного геологическим строением и разной плотностью пород земной коры.

До конца XIX столетия средством измерения силы тяжести были маятниковые приборы. Сейчас используют гравиметры – высокоточные пружинные весы. Наиболее широко применяется этот прибор при поисках нефти и газа, рудных месторождений. С помощью гравиразведки можно определить толщину льда – это делается при исследовании ледников Антарктиды и Гренландии. Она используется для определения границ между осадочным чехлом и кристаллическим фундаментом на платформах, а также глубину залегания нижней границы земной коры – поверхности Мохо. Метод сравнительно дешев, оперативен в безвреден в применении, но его следует для точности применять вместе с другими методами.

Магнитное поле. У Земли, также как и Меркурия – планет земной группы – есть магнитное поле. Магнитное поле Земли простирается на 20–25 радиусов (радиус Земного шара: экваториальный – 6 378 км, полярный – 6 357 км) и образует третий, «броневой», пояс, окружающей нашу планету наряду с атмосферой и ионосферой.

Магнитное поле защищает нашу Землю от мощного потока космических частиц – протонов, альфа-частиц, небольшого количества электронов и других.

Все населяющие землю живые существа возникли и постоянно находятся под воздействием магнитного поля Земли. Известно, что магнитное поле Земли пульсирует с частотой от 8 до 16 колебаний в секунду. Ученые считают, что с такой пульсаций связан головной ритм биопотенциалов головного мозга человека. Хаотически изменяющаяся частота колебаний магнитного поля Земли, например, в период магнитных бурь на Солнце, может навязывать биологическим процессам несвойственные им ритмы.

Представим магнитное поле Земли в виде геоцентрического диполя с на- клоном оси в 11,5 градусов.

Диполь – это маленький магнитик, смещенный в восточном полушарии от центра Земли на 430 км (рис.4).Силовые линии магнитного поля «входят» в планету вблизи Северного географического полюса и «выходят» вблизи Южного. Напряженность современного магнитного поля Земли составляет около 0,1 А/м.

Проблема происхождения магнитного поля Земли не может считаться решенной. Общепризнанной является современная гипотеза «магнитного гидродинамо» – возникновения геомагнитного поля за счет конвекции жидкого вещества во внешнем ядре Земли. Она основана на признании существования жидкого внешнего ядра. Внутреннее ядро с глубины 5120 км и до центра (6371 км) сложены твердым веществом.

Тепловая конвекция, т.е. перемешивание вещества во внешнем ядре способствует образованию кольцевых электрических потоков. Скорость перемещения вещества в верхней части жидкого ядра меньше, а в нижних слоях - больше относительно мантии в первом случае и твердого ядра – во втором. Подобные медленные течения вызывают формирование тороидальных, замкнутых по форме электрических полей. Благодаря взаимодействию тороидальных электрических полей с конвективными течениями во внешнем ядре возникает суммарное магнитное поле дипольного характера.

Рис. 4. Схема магнитного поля Земли

Разные породы в земной коре намагничены по-разному. Наибольшую намагниченность горных пород создают минералы, содержащие железо. Так, в 20-е годы XX века были обнаружены магнитные породы, образующие Курскую магнитную аномалию.

Моделируется по остаточной намагниченности горных пород возможность инверсии магнитного поля в истории Земли. Время, в течение которого происходит изменение знака полярности, может быть до 1000 и 1000000 лет. Многие исследователи считают, что к этим периодам приурочена резкая смена животного и растительного мира: исчезновение одних видов, появление других.

Известно также, что Северный полюс нашей планеты не «стоит» на одном месте. За год он может, совершая сложные круговые движения, «пройти» путь до 100 м. Одни ученые связывают движения полюса с перемещением атмосферных масс, другие – с взаимодействием между ядром Земли и ее мантией, третьи ищут объяснения в перемещениях земной коры.

Тепловое поле. Вся история геологического развития Земли (более 4 млрд. лет) связана с выделением или поглощением тепла. Благодаря низкой теплопроводности нашей планеты тепло, передаваемое из ядра через мантию в земную кору, может и не достигнуть земной поверхности. Каждый год планета выделяет в космическое пространство примерно около 10²¹ Дж тепла. За одну секунду Солнце излучает во много раз больше (5,5 10²⁴ Дж). Поступающая от Солнца лучистая энергия распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн со скоростью 300 000 км в секунду. Солнечная энергия, дошедшая до поверхности земли в виде прямых солнечных лучей называется прямой солнечной радиацией. Часть тепла от поверхности вновь отражается в космос. Таким образом, Земля непрерывно излучает тепло в космическое пространство, одновременно поглощая его в виде солнечной радиации.

Основные источники земного тепла:

а) распад радиоактивных элементов;

б) приливное взаимодействие Земли и Луны;

в) процессы гравитационной или плотностной дифференциации вещества. Наибольшее значение в энергетическом балансе Земли придается теплу,

выделяющему при распаде радиоактивных элементов.

Неглубоко под земной поверхностью находится слой среднегодовых постоянных температур. Глубина этого слоя неодинаковая для разных регионов России. Ниже слоя среднегодовых постоянных температур начинается увеличение ее. Увеличение температуры при погружении на 1 м характеризует величину геотермического градиента. Его измеряют в градусах на 100 м. Величиной, обратной геотермическому градиенту является геотермическая ступень, т.е. глубина, при погружении на которую температура увеличивается на 1 градус.

Поскольку горные породы обладают разной теплопроводностью, то изучение вертикальных изменений геотермического градиента позволяет расчленять геологический разрез по глубине. Установлено, что тепловое поле отражает современное состояние геологической активности регионов.

Наиболее низкий потенциал (35–55 МВт/м²) характеризует древние докембрийские платформы и дно океанов.

Чем моложе геологическая структура, тем выше среднее тепловое поле (ТП). Высокие значения ТП (более 170–200 МВт/м²) характерны для областей с резко расчлененным рельефом, там где океаническая кора погружается под континентальную (процессы субдукции). К таким районам относятся срединно-океанические хребты с рифтовыми долинами и островными дугами типа Исландии, Камчатки и Гавайских островов (рис. 5). Почему? Здесь наблюдается вынос тепла из недр Земли путем выхода на поверхность термальных вод и извержений вулкана.

Мы знаем, что геотермальные ресурсы Земли используются для выработки электроэнергии, обогрева теплиц, жилых и промышленных зданий, в бальнеологических целях. Например, на глубине 1 км от поверхности Земли температура воды на Паужетке (Камчатка) равна +250^о С, Северного Кавказа + 100–120⁰ С. Геотермальные ресурсы сейчас находят применение в 60 странах мира. Это экологически чистое, возобновляемое сырье.

В настоящее время завершается в Москве работа большего коллектива ученых и специалистов по подготовке энергетической стратегии России на период до 2020 года. Высшим приоритетом энергетической стратегии Рос- сии является максимальное использование природных экологически чистых топливно-энергетических ресурсов. К ним относятся возобновляемые источники энергии (ВИЭ): Солнца, ветра, тепла Земли, энергии малых рек. Экономический потенциал ВИЭ на территории России, выраженный в тоннах условного топлива (т.у.т.), составляет по видам источников: энергия Солнца – 12,5 млн., энергия ветра – 10 млн., тепло Земли – 115 млн., энергия малых рек -65 млн. (Безруких,02).