Дистанционные методы исследования земли. Методы изучения фигуры земли
При исследовании внутреннего строения нашей планеты чаще всего проводят визуальные наблюдения естественных и искусственных обнажений горных пород, бурение скважин и сейсмическую разведку.
Обнажение горных пород – это выход пород на земную поверхность в оврагах, долинах рек, карьерах, шахтных выработках, на склонах гор. Породы в обнажении обычно скрыты тонким слоем осыпи, поэтому прежде всего его очищают от лишнего материала. При изучении обнажения обращают внимание на то, какими породами оно сложено, каковы состав и мощность этих пород, порядок их залегания (рис. 2). Обнажение тщательно описывают, зарисовывают или фотографируют. Из каждого пласта берут пробы для дальнейшего изучения в лаборатории. Лабораторный анализ проб необходим для того, чтобы определить химический состав пород, их происхождение и возраст.
Бурение скважин позволяет глубже проникнуть в толщу Земли. При бурении извлекают образцы пород – керн. А затем на основании изучения керна определяют состав, строение, залегание пород и строят чертеж пробуренной толщи – геологический разрез местности. Сопоставление многих разрезов дает возможность установить, как залегают породы, и составить геологическую карту территории.
При изучении внутреннего строения Земли особенно велико значение глубоких и сверхглубоких скважин. Самая глубокая скважина находится на Кольском полуострове, где бур достиг отметки более 12 км.
Рисунок 2. Схема обнажения горизонтально залегающих горных пород, прорезанных вулканической жилой
Недостаток и наблюдения обнажений и буровых работ состоят в том, что они позволяют изучить только тонкую пленку земной поверхности. Так, глубина даже Кольской сверхглубокой скважины составляет менее 0,25 % радиуса Земли.
Сейсмический метод дает возможность «проникнуть» на большие глубины.
В основе этого метода лежит представление о том, что сейсмические волны (от греческого сейсмос – волна, колебание) в средах разной плотности распространяются с неодинаковой скоростью: чем плотнее среда, тем больше скорость. На границе двух сред часть волн отражается и подобно кругам на воде идет обратно, а другая – распространяется дальше.
Искусственно возбуждая волны на поверхности Земли путем взрывов, сейсмологи фиксируют время, за которое отраженные волны вернулись назад. Для этих целей применяется прибор-самописец – сейсмограф.
Различают два вида сейсмических волн – продольные и поперечные. Продольные распространяются во всех средах – твердых, жидких и газообразных, а поперечные – только в твердой среде.
Зная, с какой скоростью распространяются волны в песках, глинах, гранитах, базальтах и других породах, по времени их прохождения «туда и обратно» можно определить глубину залегания пород, различающихся по плотности.
Заключение
Развитию представлений о Земле способствовали великие географические открытия. Если астрономические знания давали сведения о форме и размерах Земли, то великие географические открытия позволяли проверить эти сведения, так сказать, на ощупь.
Накопление астрономических, географических и геологических знаний определило дальнейшее развитие представлений о внутреннем строении Земли. Мистические взгляды стали несовместимыми с данными науки. Представления о каналах и пустотах внутри Земли, определяющих ее строение, отходили на задний план: в дополнение к ним появилась идея о существовании внутри Земли центрального огня. В вопросе о причинах изменения рельефа Земли продолжалась борьба огня и воды - борьба сторонников ведущей роли каждого из этих факторов.
В начале XVIIIв появились идеи о твердом ядре(пассивном центральном огне). Многие считали, что Земля образовалась из огненного расплава и затем остывала с поверхности до центра. Ошибка многих авторов состояла в том, что они, будучи ограничены национальными рамками и понятиями, полученными в пределах одной страны, объясняли строение всего земного шара, исходя из строения гор в своем отечестве. Наряду с представлениями о твердых недрах Земли, во второй половине XVIIIв. существовали также представления о том, что на большой глубине внутри Земли находится огненно-жидкая материя, которая в отличие от пассивного центрального огня предыдущих исследователей активно воздействует на поверхность Земли.
В течение XIXв. господствующей идеей в представлениях о внутреннем строении Земли была идея о том, что весь земной шар наполнен бушующим морем огня, которое прикрывает лишь тонкая земная кора. Весь XIX в. выделен мною поэтому в особый период, несмотря на наличие других взглядов на строение Земли. Как я видела, развитие представлений о внутреннем строении Земли шло с середины XVIIв. таким образом: идея о пассивном центральном огне (до середины XVIIIв.) и идея развития Земли как планеты и активного воздействия ее недр на поверхность Земли (вторая половина XVIIIв.). Эти два направления как бы слились воедино в начале XIXв., когда господствующими стали представления об огненно-жидкой внутренности Земли, прикрытой тонкой земной корой, и об активном воздействии этого расплава на земную кору. Вместе с тем в начале XIXв., несмотря на господство идеи об огненном состоянии внутренности Земли, в таком вопросе, как причины землетрясений, еще существовала гипотеза более раннего периода о каналах и пустотах внутри Земли и о действии сжатых паров и газов, вызывающих землетрясения. Лишь с начала XIXв. в соответствии с общими представлениями причиной землетрясений стали считать воздымающее действие огненного расплава. Наряду с этим в XIXв. существовали и вполне оформившиеся идеи о твердом и даже железном ядре Земли.
Детальный анализ данных сейсмометрии и всех достижений сейсмологии был сделан в первой четверти XXв. Много различных высказываний о внутреннем строении Земли было в первую половину XXв. со стороны петрографов. Представления о пластическом или жидком подкоровом слое в первые десятилетия XXв. легли в основу многих вариантов гипотезы горизонтального перемещения материков. Учитывая успехи науки и техники в области космонавтики, глубоководного бурения, эксперимента при высоких температурах и давлениях, можно надеяться, что основные положения гипотезы могут быть проверены уже в ближайшем будущем.
Современный период характеризован развитием методов изучения внутреннего строения Земли.
СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ.
Давайте совершим воображаемое путешествие к центру Земли. Представим, что мы движемся вглубь, «проходя» толщу Земли в каком-нибудь фантастическом снаряде, вместе с героями книги Жюля Верна «Путешествие к центру Земли».
Самый верхний покров Земли - земная кора. Если сравнить Землю с яблоком, то земная кора будет только его тонкой кожицей. Но именно эта «кожица» интенсивно используется человеком. На ее поверхности построены города, заводы и фабрики, из ее недр добывают различные полезные ископаемые, она дает человеку воду, энергию, одежду и многое-многое другое. Поскольку земная кора самый верхний слой Земли, то и изучена лучше всех. В её недрах залегают очень ценные для человека горные породы и минералы, который он научился использовать в хозяйстве.
|
Толщина Земной коры (внешней оболочки) изменяется от нескольких километров (в океанических областях) до нескольких десятков километров (в горных районах материков). Сфера земной коры очень небольшая, на ее долю приходится всего около 0,5% общей массы планеты. Основной состав коры - это окислы кремния, алюминия, железа и щелочных металлов. В составе континентальной коры, содержащей под осадочным слоем верхний (гранитный) и нижний (базальтовый), встречаются наиболее древние породы Земли, возраст которых оценивается более чем в 3 млрд. лет. Океаническая же кора под осадочным слоем содержит в основном один слой, близкий по составу к базальтовым. Возраст осадочного чехла не превышает 100-150 миллионов лет. |
Следующий слой земной коры – гранитный. Гранит называют магматической породой. Он образовался из магмы в толще земной коры в условиях высоких температур и давления. «Магма» в переводе с греческого означает «густая мазь». Она представляет собой расплавленное вещество земных недр, которое заполняет трещины в земной коре. При ее застывании образуется гранит. Химический анализ гранита показывает, что он содержит большое количество самых разных минералов - кремнезема, алюминия, кальция, калия, натрия.
После «гранитного» слоя, находится слой, сложенный преимущественно из базальта - горной породы глубинного происхождения. Базальт тяжелее гранита, он содержит больше железа, магния и кальция. Эти три слоя земной коры - осадочный, «гранитный» и «базальтовый» - хранят все полезные ископаемые, используемые человеком. Толщина земной коры не везде одинакова: от 5 км под океанами до 75 км под материками. Под океанами, как правило, отсутствует «гранитный» слой.
На
рисунке видно, что под океанами земная
кора более тонкая, т.к. состоит из двух
слоёв (верхнего осадочного и нижнего
базальтового).
Далеко не везде,
углубляясь в Землю, мы будем наблюдать
строгую последовательность, при которой
за более молодым слоем располагается
более древний. Пласты горных пород по
праву называют страницами истории
Земли, но они могут быть перепутаны,
измяты, изорваны. В основном это происходит
в результате горизонтальных сдвигов
происходящих в земной коре.
Смещение
горных пород показано рисунке справа.
За земной корой, если двигаться к центру Земли следует, самый толстый слой Земли – мантия (учёные говорят «самый мощный»). Никто никогда не видел ее. Ученые предполагают, что состоит она из магния, железа и свинца. Температура здесь около +2000° С!
От низлежащей мантии земную кору отделяет во вмогом еще загадочный Слой Мохо (назван так в честь сербского сейсмолога Мохоровичича, открывшего его в 1909 году), в котором скорость распространения сейсмических волн скачкообразно увеличивается.
На долю Мантии приходится около 67% общей массы планеты. Твердый слой верхней мантии, распространяющийся до различных глубин под океанами и континентами, совместно с земной корой называют литосферой - самой жесткой оболочкой Земли. Под ней отмечен слой, где наблюдается некоторое уменьшение скорости распространения сейсмических волн, что говорит о своеобразном состоянии вещества. Этот слой, менее вязкий и более пластичный по отношению к выше и ниже лежащим слоям, называют астеносферой. Считается, что вещество мантии находится в непрерывном движении, и высказывается предположение, что в относительно глубоких слоях мантии с ростом температуры и давления происходит переход вещества в более плотные модификации. Такой переход подтверждается и экспериментальными исследованиями.
В нижней мантии на глубине 2900 км отмечается резкий скачок не только в скорости продольных волн, но и в плотности, а поперечные волны сдесь исчезают совсем, что указывает на смену вещественного состава пород. Это внешняя граница ядра Земли.
Ученые установили, что температура горных пород с глубиной возрастает: в среднем на каждые 30 м глубины Земли становится теплее на 1 С. Мантия получает огромное количество тепла от ядра Земли, которое ещё горячее.
При огромной температуре породы мантии должны быть в жидком, расплавленном виде. Но этого не происходит, потому что вышележащие горные породы давят на мантию, и давление на такой глубине в 13 тысяч раз больше, чем на поверхности. Иначе говоря, на каждый 1 см 2 горной породы давят 13т. Столько весит КАМАЗ, груженый асфальтом. Поэтому, по-видимому, породы мантии и ядра находятся в твердом состоянии. Выделяют нижнюю и верхнюю мантию.
Состав мантии:
алюминий,
магний, кремний, кальций
Люди давно заметили, что на дне глубоких шахт температура горных пород выше, чем на поверхности. Некоторые шахты даже приходилось забрасывать, потому что там становилось невозможно работать, так как температура достигала +50° С.
Ядро Земли - пока загадка для науки. С определенной достоверностью можно говорить лишь о его радиусе - примерно 3500 км и температуре - около 4000 °С. Это пока все, что известно науке о строении глубин Земли. Некоторые учёные придерживаются мнения о том, что наше ядро состоит из железа, другие допускают возможным существования огромной пустоты в центре нашей планеты. Выделяют внешнее и внутреннее ядро. Но каково ядро Земли на самом деле пока не знает никто.
Земное ядро открыто в 1936 году. Получить его изображение было чрезвычайно трудно из-за малого числа сейсмических волн, достигавших его и возвращавшихся к поверхности. Кроме того, экстремальные температуры и давления ядра долгое время трудно было воспроизвести в лаборатории. Земное ядро разделяется на 2 отдельные области: жидкую (ВНЕШНЕЕ ЯДРО ) и твердую (BHУTPEHHE ), переход между ними лежит на глубине 5156 км. Железо - элемент, который соответствует сейсмическим свойствам ядра и обильно распространен во Вселенной, чтобы представить в ядре планеты приблизительно 35% ее массы. По современным данным, внешнее ядро представляет собой вращающиеся потоки расплавленного железа и никеля, хорошо проводящие электричество. Именно с ним связывают происхождение земного магнитного поля, считая, что, электрические токи, текущие в жидком ядре, создают глобальное магнитное поле. Слой мантии, находящийся в соприкосновении с внешним ядром, испытывает его влияние, поскольку температуры в ядре выше, чем в мантии. Местами этот слой порождает огромные, направленные к поверхности Земли тепломассопотоки - плюмы.
ВНУТРЕННЕЕ ТВЕРДОЕ ЯДРО не связано с мантией. Полагают, что его твердое состояние, несмотря на высокую температуру, обеспечивается гигантским давлением в центре Земли. Высказываются предположения о том, что в ядре помимо железоникелевых сплавов должны присутствовать и более легкие элементы, такие как кремний и сера, а возможно, кремний и кислород. Вопрос о состоянии ядра 3емли до сих пор остается дискуссионным. По мере удаления от поверхности увеличивается сжатие, которому подвергается вещество. Расчеты показывают, что в земном ядре давление может достигать 3 млн. атм. При зтом многие вещества как бы металлизируются - переходят в металлическое состояние. Существовала даже гипотеза, что ядро Земли состоит из металлического водорода.
Состав ядра:
железо, никель.
Литосфера - это твердая оболочка Земли, состоящая из земной коры и верхней части мантии (от греч. lithos - камень и sphaira - шар). Известно, что существует тесная связь между литосферой и мантией Земли.
Движение литосферных плит.
Многие ученые считают, что литосфера разделена глубинными разломами на блоки, или плиты, разной величины. Эти плиты перемещаются по разжиженному слою мантии относительно друг друга. Литосферные плиты бывают материковые и океанические (мы немного рассказывали чем они отличаются). При взаимодействии материковой и океанической плит одна надвигается на другую. Из-за своей меньшей толщины край океанической плиты как бы "ныряет" под край континентальной плиты. При этом образуются горы, глубоководные желоба, островные дуги. Наиболее яркий пример такого образования - Курильские острова и Анды.
Какая
же сила передвигает плиты литосферы?
Движение
их ученые связывают с перемещением
вещества в мантии. Мантия несет на себе
земную кору, как тонкий лист бумаги.
Границы
литосферных плит в местах их разрыва и
в местах стыковки - это активные участки
литосферы, к которым приурочено
большинство действующих вулканов и где
часты землетрясения. Эти участки образуют
сейсмические пояса Земли, протянувшиеся
на тысячи километров. Повторим, что
термин "сейсмический" происходит
от греческого слова seismos - колебание.
Тепло ядра Земли заставляет мантийное вещество подниматься (как вода при кипении), образуя вертикальные потоки мантии, раздвигающие литосферные плиты. При остывании возникают нисходящие потоки. Тогда литосферные плиты сдвигаются, сталкиваются и образуются горы.
МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО СТРОЕНИЯ ЗЕМЛИ.
Объектами , которые изучает геология, являются земная кора и литосфера. Задачи геологии:
изучение вещественного состава внутренних оболочек Земли;
изучение внутреннего строения Земли;
изучение закономерностей развития литосферы и земной коры;
изучение истории развития жизни на Земле и др.
Методы науки включают как собственно геологические, так и методы сопряженных наук (почвоведения, археологии, гляциологии, геоморфологии и проч.). В числе главных методов можно назвать следующие.
1. Методы полевой геологической съемки изучение геологических обнажений, извлеченного при бурении скважин кернового материала, слоев горных пород в шахтах, изверженных вулканических продуктов, непосредственное полевое изучение протекающих на поверхности геологических процессов.
2. Геофизические методы используются для изучения глубинного строения Земли и литосферы. Сейсмические методы , основанные на изучении скорости распространения продольных и поперечных волн, позволили выделить внутренние оболочки Земли. Гравиметрические методы , изучающие вариации силы тяжести на поверхности Земли, позволяют обнаружить положительные и отрицательные гравитационные аномалии и, следовательно, предполагать наличие определенных видов полезных ископаемых. Палеомагнитный метод изучает ориентировку намагниченных кристаллов в слоях горных пород. Осаждающиеся кристаллы ферромагнитных минералов ориентируются своей длинной осью в соответствии с направлениями силовых линий магнитного поля и знаками намагниченности полюсов Земли. Метод основан на непостоянстве (инверсии) знака полярности магнитных полюсов. Современные знаки намагниченности полюсов (эпоха Брюнес) Земля приобрела 700 000 лет назад. Предыдущая эпоха обратной намагниченности Матуяма.
3. Астрономические и космические методы основаны на изучении метеоритов, приливно-отливных движений литосферы, а также на исследовании других планет и Земли (из космоса). Позволяют глубже понять суть происходящих на Земле и в космосе процессов.
4. Методы моделирования позволяют в лабораторных условиях воспроизводить (и изучать) геологические процессы.
5. Метод актуализма протекающие ныне в определенных условиях геологические процессы ведут к образованию определенных комплексов горных пород. Следовательно, наличие в древних слоях таких же пород свидетельствует об определенных, идентичных современным процессах, происходивших в прошлом.
6. Минералогические и петрографические методы изучают минералы и горные породы (поиск полезных ископаемых, восстановление истории развития Земли).
ГИПОТЕЗА ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЗЕМЛИ.
Согласно современным космологическим представлениям 3емля образовалась вместе с другими планетами около 4,5 млрд. лет назад из кусков и обломков, вращавшихся вокруг молодого Солнца. Она разрасталась, захватывая вещество, находившееся вокруг, пока не достигла своего нынешнего размера. Вначале процесс разрастания происходил очень бурно, и непрерывный дождь падающих тел должен был привести к ее значительному нагреванию, так как кинетическая энергия частиц превращалась в тепло. При ударах возникали кратеры, причем выбрасываемое из них вещество уже не могло преодолеть силу земного притяжения и падало обратно, и чем крупнее были падающие тела, тем сильнее разогревали они Землю. Энергия падающих тел освобождалась уже не на поверхности, а в глубине планеты, не успевая излучиться в пространство. Хотя первоначальная смесь веществ могла быть однородной в большом масштабе, разогрев земной массы вследствие гравитационного сжатия и бомбардировки ее обломками привел к расплавлению смеси и возникшие жидкости под действием тяготения отделялись от оставшихся твердых частей. Постепенное перераспределение вещества по глубине в соответствии с плотностью должно было привести к его расслоению на отдельные оболочки. Более легкие вещества, богатые кремнием, отделялись от более плотных, содержащих железо и никель, и образовывали первую земную кору. Спустя примерно миллиард лет, когда 3емля существенно охладилась, земная кора затвердела, превратившись в прочную внешнюю оболочку планеты. Остывая, 3емля выбрасывала из своего ядра множество различных газов (обычно это происходило при извержении вулканов) - легкие, такие как водород и гелий, большей частью улетучивались в космическое пространство, но так как сила притяжения 3емли была уже достаточно велика, то удерживала у своей поверхности более тяжелые. Они как раз и составили основу земной атмосферы. Часть водяных паров из атмосферы сконденсировалась, и на 3емле возникли океаны.
Для чего нужны современные методы изучения Земли?
Ответы:
Методы исследования в географии на сегодняшний день остаются все теми же, что и раньше. Однако это вовсе не означает, что они не претерпевают изменения. Появляются новейшие методы географических исследований, позволяющие значительно расширить возможности человечества и границы непознанного. Но прежде, чем рассмотреть эти новшества, необходимо разобраться в привычной классификации. Методы географических исследований - это различные способы получения информации в рамках науки географии. Они подразделяются на несколько групп. Итак, картографический метод представляется собой использование карт, как основного источника информации. Они могут дать представление не только о взаиморасположении объектов, но и их размерах, о степени распространения различный явлений и еще массу полезной информации. Статистический метод говорит о том, что нельзя рассматривать и изучать народы, страны, природные объекты без использования статистических данных. То есть очень важно знать какова глубина, высота, запасы природных ресурсов той или иной территории, ее площадь, численность населения отдельно взятой страны, ее демографические показатели, а также показатели производства. Исторический метод подразумевает, что наш мир развивался и все на планете имеет свою богатую историю. Таким образом, для того чтобы изучать современную географию, необходимо обладать знаниями об истории развития самой Земли и человечества, проживающего на ней. Методы географических исследований продолжает экономико-математический метод. Это не что иное, чем цифры: расчеты смертности, рождаемости, плотности населения, ресурсообеспе Сравнительно-географический метод помогает более полно оценить и описать различия и сходства географических объектов. Ведь все в этом мире подлежит сравнению: меньше или больше, медленнее или быстрее, ниже или выше и так далее. Этот метод позволяет составлять классификации географических объектов и прогнозировать их изменения. Методы географических исследований невозможно себе представить без наблюдений. Они могут быть непрерывными или периодическими, площадными и маршрутными, дистанционными или стационарными, тем менее все они предоставляют важнейшие данные о развитии географических объектах и тех изменениях, которые они претерпевают. Невозможно изучить географию, сидя за столом в кабинете или за школьной партой в классе, необходимо научиться извлекать полезную информацию из того, что можно увидеть собственными глазами. Одним из важных методов исследования географии был и остается метод географического районирования. Это выделение экономических и природных (физико-географических) районов. Не менее важен и метод географического моделирования. Всем нам еще со школьной скамьи известен самый яркий пример географической модели - глобус. Но моделирование может быть машинным, математическим и графическим. Географический прогноз - это умение предсказывать последствия, которые могут возникнуть вследствие развития человечества. Этот метод позволяет уменьшить негативное воздействие деятельности людей на окружающую среду, избежать нежелательных явлений, рационально использовать всевозможные ресурсы и так далее. Современные методы географических исследований явили миру ГИС - геоинформационные системы, то есть комплекс цифровых карт, привязанных к ним программных средств и статистики, которые дают людям возможность работать с картами прямо на компьютере. А благодаря сети Интернет появились системы подспутникового позиционирования, известные в народе, как GPS. Они состоят из наземных средств слежения, навигационных спутников и различных приборов, принимающих информацию и определяющих координаты. Все эти методы взаимосвязаны.Например невозможно изучить любую страну полностью,если исключить хотя бы один из этих методов Примеров много,зная методы можно и самой их составить...
Методы исследования строения Земли
Большинство частных наук о Земле составляют науки о ее поверхности, включая атмосферу. Пока человек не проник в глубь Земли далее 12 – 15 км (Кольская сверхглубокая скважина). С глубин примерно до 200 км разными путями выносится наружу вещество недр и оказывается доступным для исследования. Сведения о более глубоких слоях добываются косвенными методами:
Регистрацией характера прохождения сейсмических волн разных типов через земные недра, изучением метеоритов как реликтовых остатков прошлого, отражающих состав и структуру вещества протопланетного облака в зоне формирования планет земной группы. На этой основе делаются выводы о совпадении вещества метеоритов определенного типа с веществом тех или других слоев земных глубин. Выводы о составе земных недр, опирающиеся на данные о химико-минералогическом составе выпадающих на землю метеоритов не считаются надежными, так как нет общепризнанной модели образования и развития Солнечной системы.
Строение Земли
Зондирование недр земли сейсмическими волнами позволило установить их оболочечное строение и дифференцированность химического состава.
Различают 3 главные концентрически расположенные области: ядро, мантия, кора. Ядро и мантия в свою очередь подразделяются на дополнительные оболочки, различающиеся физико-химическими свойствами (рис.51).
Рис.51 Строение Земли
Ядро занимает центральную область земного геоида и разделяется на 2 части. Внутреннее ядро находится в твердом состоянии, оно окружено внешним ядром , пребывающим в жидкой фазе. Между внутренним и внешним ядрами нет четкой границы, их различает переходная зона . Считается, что состав ядра идентичен составу железных метеоритов. Внутреннее ядро состоит из железа (80 %) и никеля (20%). Соответствующий сплав при давлении земных недр имеет температуру плавления порядка 4500 0 С. Внешнее ядро содержит железо (52 %) и эвтектику (жидкая смесь твердых веществ), образуемую железом и серой (48 %). Не исключается небольшая примесь никеля. Температура плавления такой смеси оценивается 3200 0 С. Чтобы внутренне ядро оставалось твердым, а внешнее жидким, температура в центре Земли не должна превышать 4500 0 С, но и не быть ниже 3200 0 С. С жидким состоянием внешнего ядра связывают представления о природе земного магнетизма.
Палеомагнитные исследования характера магнитного поля планеты в далеком прошлом, основанные на измерениях остаточной намагниченности земных пород, показали, что на протяжении 80 млн. лет имело место не только наличие напряженности магнитного поля, но и многократное систематическое перемагничивание, в результате которого северный и южный магнитные полюса Земли менялись местами. В периоды смены полярности наступали моменты полного исчезновения магнитного поля. Следовательно, земной магнетизм не может создаваться постоянным магнитом за счет стационарной намагниченности ядра или какой – то его части. Предполагают, что магнитное поле создается процессом, названным эффектом динамомашины с самовозбуждением. Роль ротора (подвижного элемента) динамо может играть масса жидкого ядра, перемещающаяся при вращении Земли вокруг своей оси, а система возбуждения образуется токами, создающими замкнутые петли внутри сферы ядра.
Плотность и химический состав мантии, по данным сейсмических волн, резко отличаются от соответствующих характеристик ядра. Мантию образуют различные силикаты (соединения, в основе которых кремний). Предполагается, что состав нижней мантии подобен составу каменных метеоритов (хондритов).
Верхняя мантия непосредственно связана с самым внешним слоем – корой. Она считается «кухней», где приготовляются многие слагающие кору породы или их полуфабрикаты. Полагают, что верхняя мантия состоит из оливина (60%), пироксена (30 %) и полевого шпата (10 %). В определенных зонах этого слоя происходит частичное плавление минералов и образуются щелочные базальты – основа океанической коры. Через рифтовые разломы среднеокеанических хребтов базальты поступают из мантии на поверхность Земли. Но этим не ограничивается взаимодействие коры и мантии. Хрупкая кора, обладающая высокой степенью жесткости, вместе с частью подстилающей мантии образует особый слой толщиной порядка 100 км, называемой литосферой. Этот слой опирается на верхнюю мантию, плотность которой заметно выше. Верхняя мантия обладает особенностью, определяющей характер ее взаимодействия с литосферой: по отношению к кратковременным нагрузкам она ведет себя как жесткий материал, а по отношению к длительным нагрузкам – как пластичный. Литосфера создает постоянную нагрузку на верхнюю мантию и под ее давлением подстилающий слой, называемой астеносферой , проявляет пластичные свойства. Литосфера «плавает» в нем. Такой эффект называют изостазией.
Астеносфера в свою очередь опирается на более глубокие слои мантии, плотность и вязкость которых возрастает с глубиной. Причина этого – сдавливание пород, вызывающее структурную перестройку некоторых химических соединений. Например, кристаллический кремний в обычном состоянии имеет плотность 2,53 г/см 3 , под действием возросших давлений и температур он переходит в одну из своих модификаций, названную стишовитом, плотность, которой достигает 4,25 г/см 3 . Силикаты, слагаемые такой модификацией кремния, имеют очень компактную структуру. В целом же литосфера, астеносфера и остальная мантия могут рассматриваться в качестве трехслойной системы, каждая из частей которой подвижна относительно других компонентов. Особой подвижностью отличается легкая литосфера, опирающаяся на не слишком вязкую и пластичную астеносферу.
Земная кора, образующая верхнюю часть литосферы, в основном слагается из восьми химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий и калий. Половина всей массы коры приходится на кислород, который содержится в ней в связанных состояниях, в основном в виде окислов металлов. Геологические особенности коры определяются совместными действиями на нее атмосферы, гидросферы и биосферы – этих трех внешних оболочек планеты. Состав коры и внешних оболочек непрерывно обновляется. Благодаря выветриванию и сносу вещество континентальной поверхности полностью обновляется за 80 – 100 млн. лет. Убыль веществ континентов восполняется вековыми поднятиями их коры. Жизнедеятельность бактерий, растений и животных сопровождается полной сменой содержащейся в атмосфере углекислоты за 6-7 лет, кислорода – за 4 000 лет. Вся масса гидросферы (1,4 · 10 18 т) целиком обновляется за 10 млн. лет. Еще более фундаментальный круговорот вещества поверхности планеты протекает в процессах, связывающих все внутренние оболочки в единую систему.
Существуют стационарные вертикальные потоки, называемые мантийными струями, они поднимаются из нижней мантии в верхнюю и доставляют туда горючее вещество. К явлениям той же природы относят внутриплитовые «горячие поля», с которыми, в частности, связывают наиболее крупные аномалии в форме земного геоида. Таким образом образ жизни земных недр чрезвычайно сложен. Отклонения от мобилистских положений не подрывают идею тектонических плит и их горизонтальных движений. Но не исключено, что в недалеком будущем появится более общая теория планеты, учитывающая горизонтальные движения плит и незамкнутые вертикальные переносы горючего вещества в мантии.
Самые верхние оболочки Земли – гидросфера и атмосфера – заметно отличаются от других оболочек, образующих твердое тело планеты. По массе это совсем незначительная часть земного шара, не более 0,025 % всей его массы. Но значение этих оболочек в жизни планеты огромно. Гидросфера и атмосфера возникли на ранней стадии формирования планеты, а может быть, и одновременно с ее формированием. Нет сомнений, что океан и атмосфера существовали 3,8 млрд. лет назад.
Образование земли шло в русле единого процесса, вызвавшего химическую дифференциацию недр и возникновение предшественников современных атмосферы и гидросферы. Вначале из зерен тяжелых нелетучих веществ оформилось протоядро Земли, затем оно очень быстро присоединило вещество, ставшее впоследствии мантией. А когда Земля достигла примерно размеров Марса, начался период ее бомбардировки планетозималиями. Удары сопровождались сильным локальным разогревом и плавлением земных пород и планетозималий. При этом выделялись газы и пары воды, содержащиеся в породах. А так как средняя температура поверхности планеты оставалась низкой, пары воды конденсировались, образуя растущую гидросферу. В этих столкновениях Земля теряла водород и гелий, но сохраняла более тяжелые газы. Содержание изотопов инертных газов в современной атмосфере позволяет судить об источнике, их породившем. Этот изотопный состав согласуется с гипотезой об ударном происхождении газов и воды, но противоречит гипотезе о процессе постепенной дегазации земных недр как источнике образования атмосферы и гидросферы. Океан и атмосфера безусловно существовали не только на протяжении всей истории Земли как сформировавшейся планеты, но и в течение основной фазы аккреции, когда протоземля имела размеры Марса.
Идея ударной дегазации, рассматриваемой как основной механизм образования гидросферы и атмосферы, получает все большее признание. Лабораторными экспериментами подтверждалась способность ударных процессов выделять из земных пород заметные количества газов, в том числе и молекулярного кислорода. А это означает, что некоторое количество кислорода присутствовало в атмосфере земли еще до того, как возникла на ней биосфера. Идеи абиогенного происхождения некоторой части атмосферного кислорода выдвигались и другими учеными.
Обе внешние оболочки – атмосфера и гидросфера – плотно взаимодействуют друг с другом и с остальными оболочками Земли, особенно с литосферой. На них оказывают прямое воздействие Солнце и Космос. Каждая из этих оболочек представляет собой открытую систему, обдающую определенной автономией и своими внутренними законами развития. Все, кто изучает воздушный и водный океаны, убеждены. Что объекты исследования обнаруживают удивительную тонкость организации, способность к саморегуляции. Но при этом ни одна из земных систем не выпадает из общего ансамбля, и их совместное существование демонстрирует не просто сумму частей, а новое качество.
Среди сообщества оболочек Земли особое место занимает биосфера. Она захватывает верхний слой литосферы, почти всю гидросферу и нижние слои атмосферы. Термин «биосфера» ввел в науку в 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс (1831 – 1914). Под биосферой понималась совокупность заселяющей поверхность планеты живой материи вместе со средой обитания. Новый смысл этому понятию придал В.И. Вернадский, рассматривавший биосферу как системное образование. Значимость этой системы выходит за пределы чисто земного мира, который представляет собой звено космического масштаба.
Возраст Земли
В 1896 году было открыто явление радиоактивности, это привело к развитию методов радиометрической датировки. Суть его заключается в следующем. Атомы некоторых элементов (урана, радия, тория и других) не остаются постоянными. Исходный, называемый материнский элемент спонтанно распадается, превращаясь в стабильный дочерний. Например, уран – 238, распадаясь, превращается в свинец – 206, а калий – 40 – в аргон – 40. Измеряя количество материнских и дочерних элементов в минерале, можно вычислить время, прошедшее с момента его образования: чем больше процент дочерних элементов, тем старше минерал.
Согласно радиометрической датировке, самым старым на Земле минералам 3,96 миллиарда лет, а самым старым монокристаллам – 4,3 миллиарда. Ученые считают, что сама Земля старше, потому что радиометрический отсчет ведется от момента кристаллизации минералов, а планета существовала в расплавленном состоянии. Эти данные вкупе с результатами исследований изотопов свинца в метеоритах позволяют сделать вывод о том, что вся Солнечная система сформировалась приблизительно 4,55 миллиарда лет тому назад.
5.5. Происхождение материков. Эволюция земной коры: тектоника литосферных плит
В 1915 году немецкий геофизик А. Вегенер (1880 - 1930) предположил, исходя из очертания континентов, что в геологический период существовал единый массив суши, названный им Пангеей (от греч. «вся земля»). Пангея раскололась на Лавразию и Гондвану. 135 млн. лет назад Африка отделилась от Южной Америки, а 85 млн. лет назад Северная Америка – от Европы; 40 млн. лет назад Индийский материк столкнулся с Азией и появились Тибет и Гималаи.
Решающим аргументом в пользу принятия данной концепции стало эмпирическое обнаружение в 50 – х гг.XX столетия расширения дна океанов, что послужило отправной точкой создания тектоники литосферных плит. В настоящее время считается, что континенты расходятся под влиянием глубинных конвективных течений, направленных вверх и в стороны и тянущих за собой плиты, на которых плавают континенты. Эту теорию подтверждают и биологические данные о распространении животных на нашей планете. Теория дрейфа континентов, основанная на тектонике литосферных плит, ныне общепризнанна в геологии.
Также в пользу этой теории говорит то, что береговая линия восточной части Южной Америки поразительно совпадает с береговой линией западной части Африки, а береговая линия восточной части Северной Америки – с береговой линией западной части Европы.
Одна из современных теорий, объясняющих динамику процессов в земной коре, называется теорией неомобилизма . Ее зарождение относится к концу 60 – х годов XX века и вызвано сенсационным открытием на дне океана цепи горных хребтов, оплетающих земной шар. Ничего подобного на суше нет. Альпы, Кавказ, Памир, Гималаи, даже вместе взятые, несравнимы с обнаруженной полосой срединных хребтов Мирового океана. Ее длина превышает 72 тыс. км.
Человечество как бы открыло неведомую прежде планету. Наличие узких впадин и больших котловин, глубоких ущелий, тянущихся почти непрерывно вдоль оси срединных хребтов, тысячи гор, подводных землетрясений, действующих вулканов, сильных магнитных, гравитационных и тепловых аномалий, горячих глубоководных источников, коллосальных скоплений железомарганцевых конкреций – все это обнаружено за короткий промежуток времени на дне океана.
Как выяснилось, океанической коре свойственно постоянное обновление. Она зарождается на дне рифта, секущего срединные хребты по оси. Сами хребты – из той же купели и тоже молоды. Океаническая кора «умирает» в местах расколов – там, где она подвигается под соседние плиты. Опускаясь в глубь планеты, в мантию и оплавляясь, она успевает отдать часть себя вместе с накопившимися на ней осадочными отложениями на строительство материковой коры. Расслоение недр Земли по плотности рождает своего рода течения в мантии. Эти течения обеспечивают поставку материала для разрастания океанического дна. Они же заставляют дрейфовать глобальные плиты с выступающими из Мирового океана континентами. Дрейф крупных плит литосферы с возвышающейся на них сушей и называется неомобилизмом.
Перемещение материков подтверждено в настоящее время наблюдениями с космических аппаратов. Нарождение океанской коры исследователи увидели своими глазами, приблизившись ко дну Атлантики, Тихого и Индийского океанов, Красного моря. Используя современную технику глубоководного погружения, акванавты обнаружили образование трещин в растягиваемом дне и молодые вулканчики, поднимающиеся из таких «щелей».
В свое время я тоже заинтересовался тем, что находится у нас под ногами, и начал изучать ее подробнее. Проблема изучения внутреннего строения и состава нашей планеты с давних времен привлекала внимание ученых. Наиболее значимых результатов удалось добиться в XX веке, потому что по сложности и важности эта задача стоит в одном ряду с изучением космоса.
Методы изучения Земли
При изучении внутреннего строения Земли используются различные методы, которые можно объединить в две группы: методы прямого наблюдения и методы косвенного исследования. Первый тип – наиболее простой для понимания, ученые просто изучают горные породы, шахты и материалы, которые получают при бурении скважин. Интересно, что сегодня самые глубокие шахты достигают глубины 6 км, нефтяные скважины – 9 км. Отдельно стоит упомянуть об очень занимательной Кольской сверхглубокой скважине, расположенной на Кольском полуострове. Её глубина достигает 12,5 километров, что делает ее самой глубокой скважиной в мире. Она была создана специально для научно-исследовательской работы. Короче говоря, методом прямого наблюдения можно узнать о строении Земли до глубины около 20-ти километров.
Косвенные методы исследования
Другой, более сложный, тип методов исследования – косвенные методы. Они используются для изучения недр Земли, т.е. того, что находится ниже 20-ти км. Вот их перечень:
- Сейсмический.
- Гравиметрический.
- Геомагнитный.
- Геоэлектрический.
Самый важный из них – сейсмический, который использует сейсмические волны, они изменяют свою скорость распространения в зависимости от материала, через который они проходят. Этих волн существует два типа: продольные и поперечные.
Проще говоря, данный метод позволил определить границы, отделяющие разные оболочки Земли друг от друга, и установить то, в каком состоянии они находятся: вязком, жидком, твердом и т.д.
Итог
Сегодня мы знаем, что у Земли есть три оболочки: земная кора, мантия и ядро. Сейсмическая модель внутреннего строения Земли выглядит так, как показано на рисунке выше.