ЛЕКЦИЯ №1

ВВЕДЕНИЕ. ГЕОЛОГИЯ, ЕЕ СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ, ЗАДАЧИ, ЗНАЧЕНИЕ

Введение. Предмет, объект и методы исследования науки геологии

Земля как планета, ее форма, размеры, рельеф и географические следствия

Планеты Солнечной системы и сравнение Земли с ними

Физические свойства Земли

Введение. Предмет, объект и методы исследования науки геологии

Любая наука имеет свою точку отсчета, свои исторические вехи. К Геологии особенно применимы слова Альберта Эйнштейна: «Знание является функцией времени». Геология, с одной стороны, опирается на точные факты и знания. Но, с другой стороны, ее теоретическая база до сих пор в немалой степени «соткана» из гипотез и интуитивных догадок. Становление и развитие Геологии было длительным, извилистым и тернистым. Их не обошли годы мрака, застоя и теоретических блужданий. «Mente et malleo» («Умом и молотком») начертано на эмблеме Международного геологического конгресса. Но истина в Геологии добывалась не только умом и «молотком» (в экспедициях), но и в азартных, нередко нелицеприятных и жестоких спорах.

Люди начали пристально изучать и осваивать Землю уже на первых этапах своего существования. Геология (греч. «гео» - земля, «логос» - учение) как наука о составе, строении, геологических процессах, истории формирования и развитии земной коры в целях прогнозирования закономерностей распределения в ней полезных ископаемых оформилась с середины XVIII в. Объектом изучения геологии является земная кора; предметом - состав, строение, история формирования и конечной целью -полезные ископаемые. Помимо этого каждая наука обладает собственным набором принципов, гипотез, теорий и методов исследований.

Первые попытки создать научную геологию связаны с именами трех крупнейших ученых того времени – М.В Ломоносова в России, А.Г. Вернера в Германии и Д. Геттона в Шотландии.

Становление геологии происходило в процессе решения практических запросов человеческого общества. Различные минералы и горные породы использовались первобытным человеком для изготовления примитивных каменных орудий. В бронзовый и железный века огромное значение уже имели самородные металлы — медь, золото, серебро, а также руды меди, олова, железа. Рост тяжелой индустрии, электротехнической и химической промышленности, войны потребовали огромного количества минерального сырья. Это обусловило интенсивное развитие геологических исследований в конце XIX – в начале XX в.

Еще больше возросла роль минерального сырья и самой геологии во второй половине XX в. Разнообразие природных ресурсов и степень их изученности определяли уровень экономической независимости государства. А глубокие и достоверные знания о геологическом строении недр и происходящих в них процессах позволяли прогнозировать и преодолевать последствия многих геологических катастроф.

Главными принципами геологии являются актуализм и историзм. В лаконичном виде принцип (метод) актуализма формулируется следующим образом: "Настоящее - ключ к познанию прошлого", т. е. исследование современных геологических процессов и использование результатов этого исследования для познания аналогичных процессов и их продуктов (явлений) в прошлом. Поскольку развитие темной коры, как и любой другой геосферы, носит эволюционный характер, актуализм уравновешивается (корректируется) принципом историзма, т.е. признается возможность отсутствия прямых аналогий между современными и прошлыми процессами, поэтому геологические явления должны изучаться в их развитии, взаимной связи и обусловленности, с учетом конкретных условий, времени и места их совершения.

В своих исследованиях геология опирается на комплекс смежных наук о 'Земле и Жизни - астрономию, геодезию, геофизику, геохимию, географию, биологию, биогеохимию и другие с привлечением методов этих наук, а также методов физики, химии, математики, информатики.

Современная геология значительно дифференцировалась и представляет собой комплекс взаимосвязанных дисциплин. При этом каждый раздел, составляющих предмет геологии, имеют свою группу дисциплин со своими частными объектами и предметами исследований.

Первую группу образуют дисциплины о составе земной коры: минералогия изучает минералы, природные химические соединения; петрография - горные породы, природные агрегаты минералов; литология - осадочные горные породы; кристаллография - природные кристаллы земной коры.

Вторую группу образуют дисциплины о строении земной коры, геотектоника и структурная геология изучают структуры земной коры, условия залегания горных пород их деформации и причины (движения) изменения структуры земной коры; геофизика - строение внутренних сфер земли; сейсмология - геологические условия возникновения землетрясений; вулканология - деятельность вулканов и др.

Третье важное направление в геологии образуют дисциплины, изучающие историю и закономерности развития земной коры со времени ее возникновения до наших дней: стратиграфия - изучает последовательность формирования горных пород и их первичные пространственные взаимоотношения, геохронология - относительный и абсолютный возраст горных пород и слагаемых ими слоев; палеогеография -изменения физико-географических условий земной поверхности в течении геологического времени; палеонтология - ископаемые остатки растительных и животных организмов.

Кроме перечисленных выделяются также геологические дисциплины, пограничные с другими науками (географией, гидрологией, инженерией): геоморфология - наука о рельефе земной поверхности, гидрогеология - о подземных водах, инженерная геология и грунтоведение - о земной коре в качестве среды обитания человека. Объединяет все эти дисциплины в единую науку общий объект и предмет исследований. Вместе с тем каждая дисциплина формулирует свой ракурс, предмет, свою задачу в исследуемом объекте. Отсюда и множество, разнообразие методов, привлекаемых для решения своих задач.

Геологические методы исследования вещества земной коры делятся на прямые и косвенные, визуальные и инструментальные, лабораторно-аналитические и экспериментальные. Методы прямого, визуального исследования основываются па изучении горных пород в естественных обнажениях (каньоны, обрывы по берегам рек, морей, озер), в шахтах и ручниках, а также в буровых скважинах, из которых извлекали я образцы пород (керны). Методами непосредственного исследования можно охватить лишь самую верхнюю часть земной коры и ограничиваться высотой естественных обрывов глубиной шахт и рудников, а также буровых скважин (наиболее глубокая скважина на Кольском п-ове достигает 12,5 км). Более глубокие слои изучаются геофизическими методами сейсмический - по скорости распространения в земной коре и подстилающих слоях упругих волн либо естественных (землетрясения), либо искусственно вызванных с помощью взрывов; гравиметрический - по распределению силы тяжести и ряд других методов. Отобранные в полевых условиях минералы и горные породы подвергаются лабораторному анализу с привлечением методов физики и химии (вещественный состав, оптические и механические свойства, признаки радиоактивности и т. д.).

Исключительно важны геологические знания для решения актуальных и предсказуемых проблем экологии и рационального, природосберегающего использования ресурсов недр. В частности, данные о геологическом строении территории - основа экологической экспертизы проектов недропользования и налагаемых при этом экологических ограничений вплоть до запрета реализации проектов. Этим самым определяется место геологии в теории и практике экологии и природопользования. Здесь неизбежно возникает конфликт интересов между необходимостью наращивания добычи полезных ископаемых, как основы экономики, научно-технического прогресса и охраной природы, сохранением среды обитания в приемлемых для здоровья населения параметрах.

Для нахождения допустимого компромисса в конфликтных ситуациях необходимо овладеть основами, геологии на определенном профессиональном уровне. Для этого, прежде всего, необходимо овладеть понятийным аппаратом геологии, представляющим собой систему взаимосвязанных понятий, находящимся между собой в отношениях субординации (соподчинения) и координации (рядоположения).

Геология - не только прикладная наука, помогающая людям умножать материальные богатства общества. Она затрагивает непосредственным образом проблемы происхождения Земли, зарождения и развития жизни на нашей планете и строения других планет Солнечной системы.

Земля как планета, ее форма, размеры, рельеф и географические следствия

Формой и размерами Земли люди интересовались с древнейших времен. Первоначальные представления о форме Земли основывались на чувственном восприятии окружающего мира; Земля представлялась в виде плоского диска, окруженного широкой рекой - Океаном.

Ныне очевидный факт, что Земля имеет шарообразную форму, стал раз и навсегда установленным после кругосветного путешествия экспедиции Магеллана в 1519-1522 гг. Он подтвержден фотографиями, выполненными космическими кораблями и искусственными спутниками Земли. Однако, Земля - не идеальный шар, как это представлялось в VI в. до н. э. знаменитому древнегреческому математику Пифагору.

Первую догадку о шарообразности Земли высказали пифагориицы (VI в. д. н. э.), но доказать этого они не смогли. Очевидные доказательства шарообразности Земли привел греческий философ Аристотель (IV в. д.н.э.) в своих книгах "О небе" и "Метеорология". Его аргументы были следующие.

1. Постепенное "погружение" корабля за линию горизонте при уплытии от берега и его "всплывание" из-за горизонта при приближении к берегу;

2. Дугообразный вид линии горизонта и его расширение по мере восхождения в гору;

3. Круглая форма тени Земли при лунных затмениях;

4. Изменение высоты звезд при передвижении по Земле к северу или к югу.

Здесь же Аристотель сформулировал идею геоцентрической системы мира, т. е. Земля - неподвижный центр Вселенной, вокруг которой вращаются все звезды и планеты. Вплоть до Коперника (XVI в.) никому не удалось доказательно опровергнуть этого.

Другое крупное достижение в познании формы и размеров планеты связано с именем Эратосфена Киренского (III в. д.н.э), которому с невероятной для того времени точностью удалось рассчитать размеры Земли. Он измерил разность в углах падения солнечных лучей в полдень летнего солнцестояния между Александрией (дельта Нила) и Сиеной (нынешний Асуан), лежащей на северном тропике. Разделив расстояние между этими пунктами на разность углов падения солнечных лучей, получил длину дуги в один градус и длину окружности Земли, которая составила 39690 км, что всего на 319 км оказалась меньше истинной величины. Зная окружность Земли, несложно было вычислить радиус, площадь и объем планеты. Логика и ход рассуждений Эратосфена предельно ясны, просты и легко воспроизводимы, а, как известно, воспроизводимость эксперимента - главное требование к истинности научных высказываний.

Унаследованные от античности представления о форме и размерах Земли сохранились вплоть до XVII в., когда И. Ньютон на основе законов небесной механики доказал, что вращающаяся планета должна иметь форму не идеального шара, а эллипсоида вращения с осевым сжатием в 24 км, что незначительно отличается от его истинного значения (21,3 км).

Геодезические и астрономические исследования последующих столетий с применением более совершенной измерительной техники, в том числе и спутниковой показали, что форма Земли отличается и от идеальной фигуры (эллипсоида вращения, имеет только себе подобную форму, названную геоидом (от греч. "гео" - Земля, "ид" - подобный) (рис. 1). Установлено, что Земля сжата

Рис. 1. Эволюция представления о форме Земли (а)

и поверхность рельефа, сфероид и геоид (б)

не только по оси вращения, но и по экватору (наибольший и наименьший экваториальные радиусы отличаются на 210 м) и таким образом, Земля является не двух-, а трехосным эллипсоидом вращения. Кроме того, планета несимметрична и по отношению к экватору: южный полюс расположен ближе к экватору, чем северный. Если же учесть расчлененность рельефа Земли (высочайшие горы и океанические желоба), действительная форма Земли окажется еще более сложной.

Следовательно, геоид - воображаемая уровенная поверхность планеты, которая совпадает с уровнем воды Мирового океана, от которого ведется отсчет высот и глубин и как бы "срезает" континенты. Отступления поверхности геоида от равновесного эллипсоида незначительны, но прослеживаются повсеместно: в Мировом океане геоид выше эллипсоида до +120 м; Азия и Северная Америка лежат ниже, соответственно на -160 м и -97 м; Европа и Африка превышают эллипсоид до +130 м и т. д. Все эти отклонения от равновесной фигуры имеют существенные геологические следствия: трехосность создает в земной коре и в теле планеты напряжения, стремящиеся к выравниванию фигуры, стимулируя восходящие и нисходящие движения земной коры в разных частях планеты.

С учетом всех этих обстоятельств в настоящее время приняты следующие размеры геоида:

экваториальный радиус - 6378,245 км

полярный радиус - 6356,863 км

полярное сжатие - 1/298 или 21,36 км

экваториальное сжатие - 1/30000 или 213 м

Из лих исходных данных выводится ряд производных показателей Земли:

длила меридиана - 40008,5 км

длина экватора - 40075,7 км,

площадь поверхности - 510083000 км²,

объем - 1083х10¹²км³,

масса - 6x10²⁷ г

Зная объем и массу, можно определить и среднюю плотность Земли, которая составляет 5,52 г/см³, что в 5,5 раза выше плотности воды. Средняя плотность поверхностных горных пород равна 2,8 г/см³, что значит в недрах Земли плотность вещества в несколько раз превышает средний показатель.

Ускорение свободного падения тел на поверхности Земли меняется от 978 см/с² на экваторе до 983 см/с² на полюсах и зависит от центробежного ускорения, создаваемого вращением планеты (3,4 см/с²), которое на полюсах обращается в ноль. В разных точках Земли наблюдаются отклонения ускорения свободного падения (гравитационные аномалии), которые могут достигать нескольких сотен см/с². Это явление лежит в основе гравиметрического метода исследования земной коры, что нередко приводит к открытию месторождений полезных ископаемых.

Влияние формы, размеров геоида совместно с его осевым вращением исключительно велико на природу поверхности нашей планеты.

1.Выпуклая форма геоида меняет протяженность видимой линии горизонта (L, км) в зависимости от высоты точки наблюдения (h, м) согласно

L = 3,86 √h

2. Объективно определяются две постоянные точки - полюсы. Это позволяет построить координатную сетку, т. е. систему параллелей и меридианов, лежащей в основе геодезии и картографии.

3.Меняется линейная скорость движения точек на поверхности (V, м/сек) в зависимости от широты местности (φ, град.), согласно V =V_ocos φ, где Vo - линейная скорость точки на экваторе, 464 м/сек.

Благодаря этому меняются и центробежные силы, как на поверхности, так и в недрах Земли, что приводит к перетокам подкорового вещества и тектоническим деформациям литосферы. По некоторым данным широты 30˚ и 60˚являются критическими для колебаний литосферы, где формируются тектонически активные зоны.

4. От шарообразной формы Земли зависит еще одно важное для понимания хода экзогенного рельефо- и породообразования явление - неравномерность поступления солнечной энергии по широтным поясам в зависимости от угла падения солнечных лучей. Интенсивность потока солнечной энергии I_α, падает от экватора I₀ к полюсам в зависимости от угла падения солнечных лучей α, согласно I_α = I₀ sinα.

5. Выпуклая форма Земли в сочетании с суточным вращением вызывает отклонение движущихся по ее поверхности тел (течения, реки, ветры и т. д.) в северном полушарии вправо, в южном - влево (Кориолисово ускорение). Численно Кориолисово ускорение (F) зависит от скорости (V), массы (m) движущихся тел и широты местности (α):

F = 2Wmv.sinα

где W - угловая скорость вращения шара, 7,29 10^-5 С^-1 .

В частности, под влиянием этого явления в северном полушарии более интенсивно подмываются правые берега рек, в южном - левые (закон Бэра)

Одной из характерных особенностей Земли является то, что 70,8% ее поверхности (361 млн. км²) покрыто океанами и морями. Жидкая оболочка Земли называется "гидросферой" (греч. "гидор" - вода, "сфера" - шар). Наибольшая ее толщина около 11 км. Гидросфера включает в себя все природные воды: океаны, моря, реки, озера, а также подземные водоносные горизонты.

Другая характерная особенность нашей планеты заключается в следующем. Если выразить графически рельеф материков и дна океанов в качестве различных ступеней общего рельефа Земли, получится так называемая "гипсографическая (греч. "гипсос" - высота, "графо" - пишу) кривая" земного шара (рис. 1). Из ее анализа следует, что континенты уступают океанам по площади, и их поднятие над уровнем моря невелико по сравнению с глубинами океанов. На суше высоты менее 1000 м составляют 75% площади; средняя высота континентов над уровнем моря +870 м. В Мировом океане преобладают глубины от 3000 до 6000 м; средняя глубина океанов - 3800 м.

На суше и океаническом дне с определенной закономерностью расположены горы и горные системы. На суше это –ш и р о т н ы й Средиземноморский и м е р и д и о н а л ь н ы е - Западно- и Восточно-Тихоокеанский линейные горные пояса. Средиземноморский пояс начинается на западе горами Атласа (Северная Африка) и продолжается на восток, включая горные цепи Пиренеев, Альпы, Аппенины, Балканские, Карпатские, Крымские, Кавказские горные системы, Памир, Гималаи (до Малайского архипелага). Западно-Тихоокеанский пояс охватывает горные сооружения Чукотки, Камчатки, Курильских островов, Сахалина, Японии и другие вплоть до Австралийских Кордильер. Восточно-Тихоокеанский пояс включает горные образования Кордильер Северной и Южной Америки.

В середине ХХ в. с помощью эхолотов, автоматически измерявших глубину океанического дна, была составлена подробная карта его рельефа. На дне океанов выделяются: пологая материковая отмель, или шельф (англ. “shelf” - отмель), - до глубин 200 м; крутой континентальный склон - до глубин 2500 м; океаническое ложе и узкие глубоководные желоба.

Ложе океанов представлено почти гладкими равнинами, занимающими около 76% площади Мирового океана. Они осложнены возвышенностями, валами и горными хребтами. Высота последних изменяется от первых сотен до нескольких тысяч метров. Местами и над водной поверхностью океанов выступают островками отдельные конусообразные вершины или цепочки таких гор. Наиболее высокими из них являются Азорские острова в Северной Атлантике. Высота их составляет 2500 м - относительно водной поверхности и около 9000 м относительно дна океана.

В Атлантическом океане почти на равном расстоянии от Американского континента и Европы и Африки обнаружен простирающийся с юга на север горный хребет, названный Срединно-Атлантическим. Он возвышается над дном океана почти на 3 км. Ширина хребта исчисляется сотнями километров. Подобные хребты выявлены в Индийском, Тихом и Северном Ледовитом океанах. По своей протяжённости, ширине и высоте они не уступают складчатым горным поясам материков. Вдоль осевых частей хребтов, приравненных к срединно-океаническим, протягивается глубокая (до 3 км) и широкая (25-50 км) трещина - рифт (англ. “rift" - ущелье, расселина).

Планеты Солнечной системы и сравнение Земли с ними

В пределах Солнечной системы расположено четыре внутренних (Меркурий, Венера, Земля и Марс) и 4 внешних (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) планет (рис. 2). Между Марсом и Юпитером находится пояс астероидов - малых планет.

Все планеты обращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, очень близким (кроме вытянутой орбиты Плутона) к окружности. Вращаются планеты в ту сторону, в которую медленно вращается и Солнце. Порядок вращения планет вокруг своих осей нарушает лишь Венера, вращающаяся в обратную сторону вокруг своей оси.

Внутренние планеты Солнечной системы - Меркурий, Венеру, Марс Землю - называют планетами земного типа. Они, как и Земля, являются твердыми телами и близки Земле по сравнительно небольшим размерам, в основном силикатно-железистому составу и внутреннему строению.

Рис. 2. Строение Солнечной системы

Меркурий, расположенный ближе всех к Солнцу, является одной из самых маленьких планет земной группы. Ее радиус составляет 0,4 земного радиуса. Меркурий практически лишен атмосферы, она чрезвычайно разрежена и состоит из гелия и водорода. Температура поверхности колеблется от -173° до +430 °С. Плотность Меркурия (5,43±1 г/см³) близка к плотности Земли; магнитное поле очень слабое (0,01 земного). Меркурий отличается очень медленным осевым вращением (почти 59 земных суток), составляющим 2/3 периода обращения планеты вокруг Солнца. Судя по телевизионным изображениям, переданным американским космическим аппаратом «Маринер-10» (1974 г.), Меркурий очень похож на Луну. Его поверхность покрыта многочисленными ударными кратерами - воронками с поперечниками от 0,8 до 120 км. Между сгущениями кратеров располагаются продолговатые равнины, подобные лунным «морям». Их относительно плоское дно нарушено трещинами и грядами.

Венера - располагается между Меркурием и Землей. Среди планет земной группы Венера обладает наиболее плотной атмосферой, обнаруженной еще М.В. Ломоносовым. Вся вода на Венере находится в парообразном состоянии. По данным измерений и снимков, произведенных с советских спускаемых аппаратов автоматических межпланетных станций «Венера -8, -9, -10, -13, -14, -15 и -16», атмосфера Венеры состоит на 97% из углекислого газа с облаками из капелек серы и серной кислоты. Такая атмосфера создает очень сильный парниковый эффект. Температура у поверхности Венеры достигает 750±20^{о К}, атмосферное давление (90 атмосфер) такое же, какое на Земле в океанах на глубине около 1 км.

Полученные материалы свидетельствуют о наличии на Венере коры, аналогичной земной, и о том, что местами се поверхность сложена тонкорасслоенными каменистыми горными породами, близкими к основным базальтам. Венера обладает сильно расчлененным рельефом, амплитуда его достигает 15,5 км. Обширные понижения, напоминающие океанские бассейны Земли и лунные «моря», занимают 1/6 часть поверхности планеты, Остальную площадь составляют холмистые равнины и возвышенности. Наиболее крупными континентами являются: Земля Афродиты (размером с Африку) И Земля Иштар (размером С Австралию). На краю последней расположено сложенное базальтами высокое плато Лакшми. Кроме того, выделяются крупные вулканические массивы (до 2000x2000 км) и горные хребты протяженностью в сотни километров. Последние, в частности, обрамляют Землю Афродиты (с севера) и плато Лакшми. Рисунок этих линейных гряд очень напоминает рисунок горных систем Земли. Они возвышаются на 7-8 км над средним уровнем поверхности Венеры. В пределах Земли Афродиты выявлены две рифтовые долины длиной до 2200 км.

На Венере, так же как и на Земле, есть крупные вулканы. Венера характеризуется очень медленным осевым вращением (117 земных суток). Ее магнитное поле в 10⁵ раз меньше земного. Вращается Венера в обратном по отношению к своему вращению вокруг Солнца и вращению других планет и их спутников (кроме Урана и его спутников, спутника - Тритона и некоторых внешних спутников Юпитера и Сатурна) направлении.

Земля - самая крупная из внутренних планет Солнечной системы. По размерам, массе и средней плотности она наиболее близка Венере. Отличается от последней несколько большей массой, несколько большим периодом обращения вокруг Солнца и намного более быстрым осевым вращением. Период вращения вокруг собственной оси у Земли - 24 часа (одни сутки), а у Венеры - 243. В отличие от Солнца, состоящего из водорода и гелия, Земля содержит много кислорода и железа, кремния, магния, кальция и др. элементов. Азотно-кислородная атмосфера Земли резко отличается от атмосфер других планет. Термодинамические условия поверхности позволяют существовать воде во всех трех агрегатных состояниях - в виде пара, жидкой воды и льда. Различается и средняя температура на планетах. На Земле она составляет +14 °С, а на Венере - +467 °С. От других планет земной группы (и от Луны) Земля отличается тем, что ее кора сложена не только базальтами, но и гранитами (в пределах континентов); на ее поверхности присутствует большой объем жидкой воды, заполняющей океаны и моря. На Земле активно проявляются магматические и тектонические (вулканизм, движения и деформации земной коры), а также различные экзогенные (деятельность ветра, рек и т.п.) процессы; рано зародился и пышно расцвел органический мир.

Астрономическое положение Земли в Солнечной системе, а также элементы ее движения вокруг Солнца и осевого вращения приводят к следующим природным следствиям:

1. Орбитальное и осевое движения Земли, как и других планет, равномерны, поэтому все природные процессы на земле ритмичны, их колебания не выходят за критические для жизни пределы;

2. Благодаря относительно близкому положению к Солнцу, Земля состоит преимущественно из тяжелых элементов (оксидов металлов), что обеспечивает ее высокую плотность (в среднем 5,5 г/см³);

3. Масса Земли достаточно велика для удержания вокруг себя атмосферы и водорода в достаточном количестве для образования больших масс воды (гидросферы) и в то же время не настолько велика, чтобы как на Юпитере, планета состояла из водорода.

4. При взаимодействии с Луной на поверхности и во внутренних сферах Земли образуется приливная волна суточной периодичности, которая проявляется в движениях и деформациях земной коры.

Спутник Земли - Луна составляет 1/81 часть массы Земли и движется по орбите, плоскость которой наклонена к плоскости эклиптики примерно на 5°. Она полностью лишена атмосферы и воды, обладает медленным осевым вращением (29,5 земных суток) и очень слабым магнитным полем. В рельефе поверхности Луны 84% занимают возвышенные участки («континенты»), сложенные полнокристаллическими (с содержании SiO₂; от 52 до 45%) породами, резко обедненными, по сравнению с земными, летучими химическими элементами и соединениями (нет даже следов воды и углекислоты). Остальное приходится на широкие депрессии - «моря», сложенные покровами базальтов, сходных с земными, но так же обедненных летучими компонентами. Наиболее крупными являются: Море Дождей, Море Ясности, Море Изобилия, Море Нектара, Море Спокойствия, Океан Бурь и др. Верхняя часть коры на Луне, вероятно, сложена базальтами. Вся поверхность Луны испещрена крупными ударными кратерами - следами падения крупных метеоритов, породы на их поверхности раздроблены и содержат примесь метеоритного вещества - железа и родственных ему элементов.

Температура на поверхности Луны колеблется от +115 °С на освещенной Солнцем поверхности до -135°С на противоположной. Отмечаются лунотрясения, очаги которых располагаются на глубине 700-1000 км, вблизи границы мантии с ядром.

Марс - наиболее удаленная от Солнца планета земной группы. Диаметр ее примерно вдвое меньше земного, а масса равна 0,38 земной массы. Марс обладает самой низкой средней плотностью и осевым вращением, равным 24 ч 37,4 мин. Марсианский год составляет 687 суток. Поэтому длительность сезонов на Марсе почти вдвое больше, чем на Земле. В зимнее время в полярных областях образуются снеговые шапки; снег состоит из воды и углекислоты.

Атмосфера на Марсе очень разреженная, состоит на 95% из углекислого газа; остальное приходится на азот, аргон и кислород (0,02%); содержание водяного пара в общем невелико. Давление ее на поверхности составляет 6 мм ртутного столба. Амплитуда высоко расчлененного рельефа достигает 27 км (на Земле - 19 км, Венере - 15,5 км). Температура поверхности Марса колеблется от -28 до -140°С. Это способствует широкому распространению вечной мерзлоты в верхней части коры планеты. Развитие высохших русел рек свидетельствует, что в прошлом по поверхности Марса текла и жидкая вода.

На Марсе проявляется большинство известных на Земле экзогенных процессов. В частности, господствуют процессы, связанные с деятельностью ветра: имеются обширные песчаные пустыни с характерным грядовым рельефом. Рельеф Марса отличается высокой расчлененностью, его амплитуда достигает 27 км. Выделяются два главных типа областей: материки, густо покрытые ударными кратерами, что свидетельствует об их относительной древности, и равнины. На Марсе имеются гигантские вулканы. Один из них - самый крупный во всей Солнечной системе вулкан Олимп. Его высота 21 км.

Установлены гигантские рифтовые долины, переходящие в каньоны. Так, широтная рифтовая система Долины Маринер протягивается к югу от экватора на 4000 км. Глубина каньона достигает 10 км.

Марс имеет слабое магнитное поле. У Марса два очень небольших по размеру сложенных метеоритным веществом типа хондритов и изрытых ударными кратерами спутника - Фобос (до 27 км в поперечнике) и Деймос (до 15 км в поперечнике). Один из них вращается вокруг своей оси в направлении, противоположном вращению Марса и другого спутника.

Пояс астероидов. Между Марсом и Юпитером находится пояс астероидов - малых планет. Это - мелкие твердые небесные тела и обломки, достигающие в диаметре сотен километров (Церера - 767 км). В настоящее время известно более 3000 астероидов, которые иногда сталкиваются друг с другом. Новые астероиды открывают ежегодно. Чаще всего им присваивают имена известных ученых, героев, деятелей искусства. Существует гипотеза, что астероиды - это обломки десятой планеты, названной Фаэтоном и погибшей при какой-то космической катастрофе.

Внешние планеты Солнечной системы - Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун образуют внешнюю группу планет - гигантов Солнечной системы. Они по размерам, массе, составу и строению резко отличаются от планет земной группы.

Юпитер - самая крупная планета Солнечной системы. Ее радиус в 11 раз больше земного, а объем - в 1000 раз, Юпитер состоит преимущественно из газов. Его атмосфера толщиной 1000 км содержит в основном молекулярный водород, гелий, метан и аммиак. Из аммиака на Юпитере состоят облака. Температура внешних слоев находится в пределах 140-150^о К. Между небольшим твердым ядром и газообразной атмосферой располагается мощная самостоятельная оболочка, состоящая из жидкого металлического водорода. Твердая поверхность отсутствует. Быстрое вращение Юпитера (9 ч 55 мин) создаст мощное магнитное поле, на порядок превышающее земное. У Юпитера число спутников достигает 16. Четыре самые крупные из них были открыты Г. Галилеем еще в 1610 г. Это Ио, Европа, Каллисто. Радиус Ганимеда - 1892 км. На спутнике Ио, в основном сложенном твердым каменным материалом, открыто 8 действующих вулканов, извергающих, в отличие от земных (связанных с деятельностью CO₂ и Н₂О), расплавленную серу и сернистый газ SO₂. Другие внутренние спутники Юпитера, отстоящие от него на большее расстояние, - Ганимед и Каллисто - покрыты ледяной корой. На Ганимеде и Каллисто имеется множество ударных кратеров - следов метеоритной бомбардировки. А на Европе - огромные трещины и расколы.

Сатурн - вторая ПО величине после Юпитера планета в Солнечной системе. Ее радиус в 9 раз превышает земной. Его быстрое вращение с периодом около 10 часов приводит к сильному сжатию планеты у полюсов и является источником магнитного поля, превышающего земное. В экваториальной плоскости Сатурн окружен кольцами, состоящими из мелкого каменного материала, покрытого, вероятно, льдом. С кольцами связаны внутренние спутники Сатурна. Спутник Титан, радиус которого 2575 км, плотность около 1,3 г/см³, обладает протяженной атмосферой, состоящей из молекулярного азота с примесью метана и водорода. Энцелада, спутник Сатурна, состоит из замерзших газов. На нем обнаружены вулканы, выбрасывающие струи жидкости.

Уран и Нептун. Радиус Урана и Нептуна в 4 раза превышает земной. Кольца Юпитера и Сатурна состоят из мелких (до 10-15 м в диаметре) твердых частиц камня и льда. Уран и Нептун обладают относительно высокой плотностью и имеют соответственно 15 и 2 спутников.

Основные свойства планет Солнечной системы суммированы в таблице 1.

Таблица 1

Основные свойства Солнечной системы

Физические свойства Земли

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.

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.

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.).

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.