Из чего состоит Земля: внутреннее и внешнее строение. Недра Земли. Внутреннее строение Земли

Вопросы для рассмотрения:
1. Методы изучения внутреннего строения Земли.
2. Внутреннее строение Земли.
3. Физические свойства и химический состав Земли.
4. История возникновения и развития земных оболочек. Движение земной коры.
5. Вулканы и землетрясения.

1. Методы изучения внутреннего строения Земли.
1) Визуальные наблюдения обнажений горных пород

Обнажение горных пород — это выход пород на земную поверхность в оврагах, долинах рек, карьерах, шахтных выработках, на склонах гор.

При изучении обна­жения обращают внимание на то, какими породами оно сложено, каковы состав и мощность этих пород, порядок их залегания. Из каждого пласта берут пробы для дальнейшего изучения в лаборатории, чтобы определить химический состав пород, их происхождение и воз­раст.

2) Бурение скважин позволяет извлечь образцы пород – керн , а затемопределить состав, строение, залегание пород ипостроить чертеж пробуренной толщи - геологический разрез местности. Сопоставление мно­гих разрезов дает возможность установить, как залегают породы, и составить геологическую карту территории. Самая глубокая скважина была пробурена на глубину 12 км. Эти два метода позволяют изучить Землю только поверхностно.

3) Сейсмическая разведка.

Создавая взрывом волну искусственного землетрясения, люди следят за скоростью ее прохождения через различные слои. Чем плотнее среда, тем боль­ше скорость. Зная эти скорости и прослеживая их изменение, ученые могут определить плотность залегаемых пород. Этот метод получил название сейсмозондирования и помог заглянуть внутрь Земли.

2. Внутреннее строение Земли.

Литосфера (от греческого литос - камень и сфера - шар) — верхняя, каменная оболочка Земли, включающая земную кору и верхний слой мантии (астеносферу). Глубина литосфе­ры достигает более 80 км. Вещество астеносферы находится в вязком состоянии. В результате земная кора как бы плавает на жидкой поверхности.

Земная кора имеет толщину от 3 до 75 км. Ее строение неоднородно (сверху в низ):

1 – осадочные породы (песок, глина, известняк) – 0- 20 км. Рыхлые породы имеют невысокую скорость сейсмических волн.

2 – гранитный слой (отсутствует под океаном) имеет большую скорость волн 5,5-6 км/с;

3 – базальтовый слой (скорость волн 6,5 км/с);

Выделяют два вида коры — материковую и океаническую. Под материка­ми кора содержит все три слоя — осадочный, гранитный и базальтовый. Ее мощность на равнинах достигает 15 км, а в горах увеличивается до 80 км, образуя «корни гор». Под океанами гранитный слой во многих местах вообще отсутствует и базальты покрыты тонким чехлом осадоч­ных пород. В глубоководных частях океана мощность коры не превышает 3—5 км, а ниже залегает верхняя мантия.

Температура в толще коры достигает 600 о С. Она в основном состоит из оксидов кремния и алюминия.

Мантия - промежуточная оболочка, расположенная меж­ду литосферой и ядром Земли. Нижняя ее граница проходит предположительно на глубине 2900 км. На мантию прихо­дится 83% объема Земли . Температура мантии составляет от 1000 о С в верхних слоях до 3700 о С в нижних. Граница раздела коры и мантии – поверхность Мохо (Мохоровичича).

В верх­ней мантии возникают очаги землетрясений, образуются руды, алмазы и другие ископаемые. Отсюда же на поверх­ность Земли поступает внутреннее тепло. Вещество верхней мантии постоянно и активно перемещается, вызывая дви­жение литосферы и земной коры. Оно состоит из кремния и магния. Внутренняя мантия постоянно перемешивается с жидким ядром. Тяжелые элементы погружаются в ядро, а легкие поднимаются к поверхности. Вещество, слагающее мантию 20 раз совершило кругооборот. Всего 7 раз этот процесс должен повториться и прекратится процесс построения земной коры, землетрясения и вулканы.

Ядро состоит из внешнего (до глуби­ны 5 тыс. км), жидкого слоя и внутреннего -твердого. Представляет собой железо-никелиевый сплав. Температура жидкого ядра 4000 о С, а внутреннего 5000 о С. Ядро имеет очень высокую плотность, особенно внутреннее, потому оно и твердое. Плотность ядра в 12 раз превышает воду.

На поверхности Земли температура постоянно изменя­ется и зависит от притока солнечного тепла. Суточные коле­бания температур распространяются до глубины 1—1,5 м, сезонные — до 30 м. Ниже этого слоя лежит зона постоянных температур, где они всегда остаются неизмен
85;ыми и соот­ветствуют среднегодовым температурам данной местности на поверхности Земли.

Глубина залегания зоны постоянных температур в раз­ных местах неодинакова и зависит от климата и тепло­проводности горных пород. Ниже этой зоны начинается повышение температур, в среднем на 30 °С через каждые 100 м. Однако величина эта непостоянна и зависит от со­става горных пород, наличия вулканов, активности теп­лового излучения из недр Земли.

Зная радиус Земли, можно подсчитать, что в центре ее температура должна достигать 200 000 °С. Однако при та­кой температуре Земля превратилась бы в раскаленный газ. Принято считать, что постепенное повышение темпе­ратур происходит только в литосфере, а источником внут­реннего тепла Земли служит верхняя мантия. Ниже рост температур замедляется, и в центре Земли она не превы­шает 5000 ° С.

Плотность Земли. Чем плотнее тело, тем больше масса единицы его объема. Эталоном плотности принято счи­тать воду, 1 см 3 которой весит 1 г, т. е. плотность воды равна 1 г/см 3 . Плотность других тел определяется отноше­нием их массы к массе воды такого же объема. Отсюда понятно, что все тела, имеющие плотность больше 1, тонут, меньше — плавают.

Плотность Земли в разных местах неодинакова. Оса­дочные породы имеют плотность 1,5 — 2 г/см 3 , гранит - 2, 6 г/см 3 , а базальты — 2,5-2,8 г/см 3 . Средняя плотность Земли составляет 5,52 г/см 3 . В цен­тре Земли плотность слагающих ее пород возрастает и со­ставляет 15—17 г/см 3 .

Давление внутри Земли. Горные породы, находящиеся в центре Земли, испытывают огромное давление со сторо­ны вышележащих слоев. Подсчитано, что на глубине все­го лишь 1 км давление составляет 10 4 гПа, а в верхней мантии оно превышает 6 10 4 гПа. Лабораторные экспе­рименты показывают, что при таком давлении твердые тела, например мрамор, изгибаются и могут даже течь, т. е. приобретают свойства, промежуточные между твердым телом и жидкостью. Такое состояние веществ называют пластическим. Данный эксперимент позволяет утверждать, что в глубоких недрах Земли материя находится в пласти­ческом состоянии.

Химический состав Земли. В Земле можно найти все химические элементы таблицы Д. И. Менделеева. Однако количество их неодинаково, распределены они крайне неравномерно. Например, в земной коре кислород (О) составляет более 50 %, железо (Fе) — менее 5 % ее массы. Подсчитано, что базальтовый и гранитный слои состоят в основном из кислорода, кремния и алюминия, а в мантии возрастает доля кремния, магния и железа. В це­лом же принято считать, что на 8 элементов (кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий, водород) приходится 99,5 % состава земной коры, а на все остальные - 0,5 %. Данные о составе мантии и ядра носят предположительный характер.

4. История возникновения и развития земных оболочек. Движение земной коры.

Около 5 млрд. лет назад из газо-пылевой туманности сформировалось космическое тело Земля. Оно было холодным. Четких границ между оболочками еще не существовало. Из недр Земли бурным потоком поднимались газы, сотрясая взрывами поверхность.

В результате сильного сжатия в ядре начали происходить ядерные реакции, что привело к выделению большого количества тепла. Энергия разогреланедра планеты. В процессе плавленияметаллов недр более легкие вещества всплывали на поверхность и образовывали кору, а тяжелые опускались вниз. Застывшая тонкая пленка тонула в горячей магме и вновь образовывалась. Через время на поверхности стали скапливаться большие массы легких оксидов кремния и алюминия, которые уже не тонули. Со временем они образовали большие массивы и остыли. Такие образования называются литосфреными плитами (материковыми платформами). Они подобно гигантским айсбергам плавали и продолжают свой дрейф на пластичной поверхности мантии.

2 млрд. лет назад появилась водная оболочка в результате конденсации водяных паров.
Около 500-430 млн.лет назадсуществовали 4 континента: Ангария (часть Азии), Гондвана, Североамериканская и Европейская плиты. В результате движения плит две последние плиты столкнулись, образуя горы. Образовалась Евроамерика.

Около 275 млн. лет назад произошло столкновение Евроамерики и Ангарии, на месте возникли Уральские горы. В результате этого столкновения возникла Лавразия.

Вскоре Лавразия и Гондвана соединились, образовав Пангею (175 млн. лет назад), а затем снова разошлись. Каждый из этих континентов распался еще на фрагменты, образовав современные материки.

В верхней мантии происходят конвекционные течения под действием восходящих тепловых потоков. Большое глубинное давление заставляет двигаться литосферу, состоящую из отдельных блоков – плит. Литосфера разбита примерно на 15 крупных плит, движущихся в разных направлениях. При столкновении друг с дру­гом их поверхность сжимается в складки и поднимается, образуя го­ры. В других местах образуются трещины (рифтовые зоны ) и лавовые потоки, вырываясь наружу, заполняют пространство. Данные процессы происходят как на суше, так и на дне океана.

Видео 1. Образование Земли, ее литосферных плит.

Движение литосферных плит.

Тектоника – процесс перемещения литосферных плит по поверхности мантии. Движение земной коры называется тектоническим движением.

Изучение структуры горных пород, электронная топографическая съемка дна океана из космоса подтвердили теорию тектоники плит.

Видео 2. Эволюция континентов.

5. Вулканы и землетрясения.

Вулкан – геологическое образование на поверхности земной коры, через которое извергаются потоки расплавленных пород, газы, пар и пепел. Следует различать магму и лаву. Магма - жидкие породы в жерле вулкана. лава - потоки породы по склонам вулкана. Из остывшей лавы формируются вулканические горы

На Земле около 600 действующих вулканов. Они образуются там, где земная кора расколота трещинами, близко залегают слои расплавленной магмы. Вверх ее подниматься заставляет высокое давление. Вулканы бывают наземные и подводные.

Вулкан представляет собой гору, имеющую канал , заканчивающийся отверстием – кратером . Могут быть и боковые каналы . По каналу вулкана из магматического резервуара поступает на поверхность жидкая магма, образуя лавовые потоки. Еслилава остывает в жерле вулкана, то формируется пробка, котораяпод воздействием давления газов может взорваться, освобождая путь свежей магме (лаве). Если лава достаточно жидкая (в ней много воды), то она быстро стекает по склону вулкана. Густая лава течет медленно и застывает, увеличивая вулкан в высоту и ширину. Температура лавы может достигать 1000-1300 о С и двигаться со скоростью 165 м/с.

Деятельность вулкана часто сопровождается выбросом большого количества пепла, газов и паров воды. Перед извержением над вулканом столб из выбросов может достигать нескольких десятков км в высоту. На месте горы после извержения может образоваться кратер гигантских размеров с клокочущим озером из лавы внутри – кальдера .

Вулканы образуются в сейсмически активных зонах: в местах соприкосновения литосферных плит. В разломах магма близко подходит к поверхности Земли, расплавляя породы и образуя вулканический канал. Захваченные газы увеличивают давление и выталкивают магму на поверхность.

Строение Земли. Процессы, происходящие в глубинах Земли, влияют на образование горных пород, на землетрясения и вулканические извержения, на медленные колебания поверхности суши и морского дна и на другие явления, преобразующие географическую оболочку. Поэтому, изучая физическую географию, необходимо знать строение Земли и природу ее внутренних слоев.

При современных технических средствах мы не в состоянии непосредственно наблюдать и изучать глубинные слои Земли. Самая глубокая буровая скважина на Земле не достигает 8 км. Существуют проекты бурения до 10-15 км. Более глубокие слои изучаются косвенными геофизическими методами, на основании которых можно строить лишь более или менее вероятные гипотезы. Геофизические методы основаны на изучениях упругих колебаний и физических полей Земли.

Наиболее важным является сейсмический метод, который по скорости распространения в Земле упругих волн, вызванных землетрясением или искусственными взрывами, дает возможность судить об упругих свойствах вещества, залегающего на той или иной глубине, и косвенно о других свойствах вещества. Сейсмический метод основан на следующем.

От места механического толчка исходят волны сжатия - растяжения (продольные) и волны сдвига (поперечные). Последние не возникают в жидкости и газе. Сейсмические волны проходят через земные глубины и, встречая на своем пути среду с различными физическими свойствами, преломляются и изменяют скорость распространения. Направление и скорость распространения сейсмических волн регистрируются приборами - сейсмографами. На основании многочисленных измерений установлено, что скорость распространения сейсмических волн меняется скачкообразно на определенных глубинах. Это связано прежде всего со скачкообразным изменением плотности слоев Земли.

Отсюда можно сделать важный вывод, что Земля имеет концентрическое строение. Глубины резкого изменения скорости волн называются сейсмическими зонами раздела первого порядка. Первая зона раздела, называемая зоной Мохоровичича, находится на средней

глубине 33 км, вторая - на средней глубине 2900 км. Эти зоны делят Землю на три основных слоя: кору, мантию и ядро (рис. 6). Глубины, на которых скорости сейсмических волн меняются менее резко, называются сейсмическими зонами раздела второго порядка. Они делят мантию на верхнюю и нижнюю и ядро на внешнее и внутреннее.

Кора - верхняя твердая каменная оболочка Земли. Горные породы, слагающие кору, включают все химические элементы таблицы Менделеева. Однако большинство элементов содержится в ничтожном количестве. Основными элементами коры являются: О, Si , A 1, из остальных преобладают Fe , Ca , Na , К и Mg .

Сейсмические волны и гравиметрические данные указывают на изменение с глубиной физических свойств горных пород и на неоднородность строения коры, которая отражается в планетарном рельефе земной поверхности. По физическим свойствам кору делят на три слоя: осадочный, гранитный и базальтовый. По мощности и строению выделяют два основных типа коры: материковый и океанический; в промежуточной полосе между ними кора переходного типа. Материковая кора имеет среднюю толщину 35 км. Под древними равнинами ее толщина 30 км, в горных странах ее толщина колеблется от 40 до 80 км в зависимости от происхождения и древности гор. Толщина океанической коры в среднем 5 км.

Материковая кора состоит из трех слоев: осадочный мощностью 0-15 км, гранитный средней мощностью 10 км и базальтовый средней мощностью 20 км. Океаническая кора состоит из двух слоев: осадочный мощностью менее 1 км и базальтовый мощностью 4-5 км (рис. 7). Гранитный слой состоит в основном из гранита и других так называемых кислых пород, базальтовый - из базальта и других так называемых основных пород (см. геоморфологию). Плотность

коры увеличивается с глубиной от 2,7 до 3,5 г/смм 3 . Температура в верхнем слое Земли с глубиной возрастает в среднем на 3° каждые 100 м. Земная кора постепенно выплавлялась из вещества мантии в процессе длительной физико-химической и гравитационной его дифференциации. При этом выделились гранитный и базальтовый слои земной коры, осадочный же слой возник позднее в результате их разрушения. Возраст земной коры в различных ее участках неодинаков.

В жизни земной коры происходит непрерывное формирование и развитие больших прогибов и поднятий. В подвижных так называемых геосинклиналъных зонах прогибы и поднятия имеют удлиненную форму порядка 50-100 км, а скорость вертикального движения порядка 1 см в год. Амплитуда вертикальных движений измеряется в этих случаях многими километрами. Такие поднятия и прогибы приводят к контрастному расчленению земной коры на крупные формы рельефа (горы и впадины). В областях стабильных, так называемых платформенных, поднятия и прогибы имеют округлые или неправильные очертания, их поперечник измеряется сотнями километров, а скорость вертикальных движений измеряется долями миллиметра в год. Это области малых контрастов рельефа. Причина описанных вертикальных движений кроется в мантии Земли.

Некоторые небольшие поднятия и опускания земной коры, охватывающие малые площади, измеряемые несколькими километрами, и такие же локальные деформации горных пород в виде небольших складок или неглубоких разрывов вызываются процессами, протекающими в земной коре. Одним из таких процессов является гранитизация, т.е. превращение осадочных и метаморфических пород в граниты путем их переплавления. При гранитизации происходит увеличение объема пород на 10-15%. Находящиеся в пластичном состоянии граниты, залегающие в виде линз ад других пород на глубине 10-15 км, оказываются в неустойчивом состоянии; под тяжестью вышележащих пород они выжимаются из одних мест и нагнетаются в другие, вызывая деформацию в залегании покрывающих слоёв.

Мантия - подкоровая оболочка Земли, отличающаяся от коры главным образом физическими параметрами. Она состоит из окислов магния, железа и кремния. Давление в мантии, возрастая с глубиной, достигает на границе ядра 1,3 млн. атмосфер Плотность мантии увеличивается от 3,5 в верхних слоях до 5,5 г/см 3 на границе ядра. Температура вещества мантии соответственно увеличивается примерно от 500° до 3800°. Несмотря на высокую температуру мантия находится в твердом состоянии. Граница между верхней и нижней мантией находится на глубине 900-1000 км отземной поверхности.

Верхняя мантия состоит из перидотита - ультраосновной породы с повышенным содержанием магния и железа и бедной кремнеземом. В верхней мантии возникают разрывы, сопровождающиеся сдвигами: здесь происходят процессы, определяющие стабильность одних и подвижность других участков земной коры. На глубине 100-200 км под материками и 50-400 км под океанами расположена зона размягчения и относительной подвижности материала -астеносфера, или волновод.Здесь температура растет быстрее плотности и может «догнать» точку плавления. Достаточно небольшого снижения давления, чтобы вещество астеносферы расплавилось, образуя магму, и устремилось вверх. В результате неоднократного продвижения вверх магма может излиться на поверхность. Разломы в верхних слоях мантии облегчают всплывание магмы - астенолитов. Они определяют линейное расположение всплывающих астенолитов. Одни астенолиты поднимаются до поверхности и образуются внутри коры. Они приносят с собой глубинное тепло и сильно прогревая кору, вызывают в ее породах явление метаморфизма вплоть до образования гранитов. Активный приток материала и тепла из верхней мантии в кору характерен для подвижных зон геосинклиналей. По мере исчерпания внутренней энергии в данном месте подвижность коры ослабевает, и геосинклиналь сменяется платформенным состоянием с сравнительно медленными вертикальными движениями коры. Однако в силу еще не установленных причин может наступить новая «активизация» движений в платформенных областях.

Ядро - центральная часть Земли не совсем ясной химической и физической природы. С начала XX в. существует гипотеза железного ядра; её современная модификация разделяется некоторыми геофизиками и сейчас. Больше сторонников имеет гипотеза силикатного ядра. Однако независимо от состава химических элементов для ядра, в силу особых физических условий, характерно полное вырождение химических свойств вещества. Температура ядра порядка 4000°, давление в центре Земли более 3,5 млн. атмосфер. При таких условиях вещество переходит в так называемую металлическую фазу, электронные оболочки атомов разрушаются и образуется электронная плазма отдельных химических элементов. Вещество становится более плотным и насыщенным свободными электронами. Огромные кольцевые вихри свободных электронов, возникающие в ядре, порождают, вероятно, постоянное магнитное поле Земли.

Граница между внешним и внутренним ядром находится на глубине около 5000 км от поверхности Земли. Внешнее ядро жидкое - через него не проходят поперечные волны. Плотность внешнего ядра в верхней части около 10,0 г/см. Внутреннее ядро твердое - продольные волны, проходя черев него, порождают в нем поперечные волны. Плотность внутреннего ядра доходит до 13,7 г/см 3 .

Что может находиться внутри нашей с вами родной планеты? Попросту говоря, из чего состоит Земля, каково ее внутреннее строение? Эти вопросы издавна волновали ученых. Но оказалось, что прояснить данный вопрос не так уж и просто. Даже при помощи суперсовременных технологий человек может углубиться вовнутрь только на расстояние, равное пятнадцати километрам, а этого, конечно же, мало для того, чтобы все понять и обосновать. Поэтому даже в наши дни исследования на тему «из чего состоит Земля» проходят, в основном, с использованием косвенных данных и предположений-гипотез. Но и в этом ученые достигли уже определенных результатов.

Как изучают планету

Еще во времена древних отдельные представители человечества стремились к познанию: из чего состоит Земля. Люди изучали и срезы горных пород, обнаженные самой природой и доступные для просмотра. Это, в первую очередь, обрывы, горные склоны, крутой берег морей и рек. По этим естественным срезам много чего можно понять, потому что они состоят из тех пород, которые были здесь и миллионы лет назад. А сегодня учеными в некоторых местах суши пробуриваются скважины. Из них самая глубокая - 15 км на Также изучение идет при помощи шахт, прорываемых для добычи ископаемых: угля и руды, к примеру. Из них также извлекаются образцы пород, способных рассказать людям о том, из чего состоит Земля.

Косвенные данные

Но это - то, что касается опытных и визуальных знаний о строении планеты. А вот при помощи науки сейсмологии (изучение землетрясений) и геофизики ученые проникают в глубины бесконтактно, анализируя сейсмические волны и их распространение. Эти данные рассказывают нам о свойствах веществ, находящихся глубоко под землей. Ведется изучение строения планеты и при помощи искусственных спутников, которые пребывают на орбите.

Из чего состоит планета Земля

Внутреннее строение планеты неоднородное. Сегодня учеными-исследователями установлено, что внутри состоит из нескольких частей. В середине находится ядро. Далее - мантия, которая огромна и составляет примерно пять шестых всей Наружная кора представлена тонким слоем, покрывающим сферу. Эти три составные части, в свою очередь, также не совсем однородны и имеют особенности строения.

Ядро

Из чего состоит ядро земли? Ученые выдвигают несколько версий состава и происхождения центральной части планеты. Самая популярная: ядро представляет собой железо-никелевый расплав. Ядро делится на несколько частей: внутреннее - твердое, внешнее - жидкостное. Оно очень тяжелое: составляет более трети общей массы планеты (для сравнения, его объем составляет лишь 15%). По мнению ученых, оно формировалось постепенно, с течением времени, а железо и никель высвобождались из силикатов. В настоящее время (в 2015-м) ученые из Оксфорда предложили версию, согласно которой ядро состоит из радиоактивного урана. Этим, кстати, они объясняют и повышенную теплоотдачу планеты, и существование магнитного поля до сего времени. В любом случае, информация, из чего состоит ядро Земли, может быть получена только гипотетически, так как опытные образцы современной науке недоступны.

Мантия

Из чего состоит Сразу следует оговориться, что, как и в случае с ядром, ученым еще не довелось ни разу добраться до нее. Поэтому изучение ведется также при помощи теорий и гипотез. В последние годы, правда, японскими исследователями ведется бурение на дне океана, где до мантии останется «всего-то» 3000 км. Но пока еще результаты не озвучиваются. А составляют мантию, по мнению ученых, силикаты - породы, насыщенные железом и магнием. Они пребывают в расплавленном жидком состоянии (температура достигает 2500 градусов). А еще в состав мантии, как ни странно, входит и вода. Там ее очень много (если выплеснуть всю внутреннюю воду на поверхность, то уровень мирового океана поднялся бы на 800 метров).

Земная кора

Она занимает всего чуть более процента планеты по объему и чуть менее - по массе. Но, несмотря на ее малый вес, кора земли имеет для человечества очень важное значение, ведь именно на ней и проживает все живое на Земле.

Сферы Земли

Известно, что возраст нашей планеты составляет примерно 4,5 миллиарда лет (ученые выяснили это при помощи радиометрических данных). При изучении Земли выявлено несколько присущих ей оболочек, названных геосферами. Они различаются и по своему химическому составу, и по физическим свойствам. Гидросфера включает в себя всю имеющуюся на планете воду в различных ее состояниях (жидкое, твердое, газообразное). Литосфера - каменная оболочка, плотно опоясывающая Землю (от 50 до 200 км толщиной). Биосфера - все живое на планете, включая и бактерии, и растения, и людей. Атмосфера (от древнегреческого «атмос», что означает пар) - воздушная без которой было бы невозможно существование жизни.

Из чего состоит атмосфера Земли

Внутренняя часть этой важнейшей для жизни оболочки примыкает к и представляет собой газообразную субстанцию. А внешняя - граничит с космическим околоземным пространством. Она определяет погоду на планете, и по своему составу также не однородна. Из чего состоит атмосфера Земли? Современные ученые с точностью могут определить ее составляющие. Азота в процентном отношении - более 75%. Кислорода - 23%. Аргона - чуть более 1 процента. Совсем понемногу: углекислого газа, неона, гелия, метана, водорода, ксенона и некоторых других веществ. Содержание воды в колеблется от 0,2% до 2,5% в зависимости от климатического пояса. Содержание углекислого газа также непостоянно. Некоторые характеристики современной атмосферы Земли напрямую зависят от промышленной деятельности человека.

Методы изучения внутреннего строения и состава Земли можно разделить на две основные группы: геологические методы и геофизические методы. Геологические методы базируются на результатах непосредственного изучения толщ горных пород в обнажениях, горных выработках (шахтах, штольнях и пр.) и скважинах. При этом в распоряжении исследователей имеется весь арсенал методов исследования строения и состава, что определяет высокую степенью детальности получаемых результатов. Вместе с тем, возможности этих методов при изучении глубин планеты весьма ограничены – самая глубокая в мире скважина имеет глубину лишь -12262 м (Кольская сверхглубокая в России), ещё меньшие глубины достигнуты при бурении океанического дна (около -1500 м, бурение с борта американского исследовательского судна «Гломар Челленджер»). Таким образом, непосредственному изучению доступны глубины, не превышающие 0,19% радиуса планеты.

Сведения о глубинном строении базируются на анализе косвенных данных, полученных геофизическими методами , главным образом закономерностей изменения с глубиной различных физических параметров (электропроводности, механической добротности и т.д.), измеряемых при геофизических исследованиях. В основу разработки моделей внутреннего строения Земли положены в первую очередь результаты сейсмических исследований, опирающиеся на данные о закономерностях распространения сейсмических волн. В очагах землетрясений и мощных взрывов возникают сейсмические волны – упругие колебания. Эти волны разделяются на объёмные – распространяющиеся в недрах планеты и «просвечивающие» их подобно рентгеновским лучам, и поверхностные – распространяющиеся параллельно поверхности и «зондирующие» верхние слои планеты на глубину десятки – сотни километров.
Объемные волны, в свою очередь, разделяются на два вида – продольные и поперечные. Продольные волны, имеющие большую скорость распространения, первыми фиксируются сейсмоприёмниками, их называют первичными или Р-волнами (от англ. рrimary - первичные ), более «медленные» поперечные волны называют S-волны (от англ. secondary - вторичные ). Поперечные волны, как известно, обладают важной особенностью – они распространяются только в твёрдой среде.

На границах сред с разными свойствами происходит преломление волн, а на границах резких изменений свойств, помимо преломлённых, возникают отраженные и обменные волны. Поперечные волны могут иметь смещение, перпендикулярное плоскости падения (SH-волны) или смещение, лежащее в плоскости падения (SV-волны). При переходе границы сред с разными свойствами волны SH испытывают обычное преломление, а волны SV, кроме преломлённой и отражённой SV-волн, возбуждают P-волны. Так возникает сложная система сейсмических волн, «просвечивающих» недра планеты.

Анализируя закономерности распространения волн можно выявить неоднородности в недрах планеты - если на некоторой глубине фиксируется скачкообразное изменение скоростей распространения сейсмических волн, их преломление и отражение, можно заключить, что на этой глубине проходит граница внутренних оболочек Земли, различающихся по своим физическим свойствам.

Изучение путей и скорости распространения в недрах Земли сейсмических волн позволили разработать сейсмическую модель её внутреннего строения.

Сейсмические волны, распространяясь от очага землетрясения в глубь Земли, испытывают наиболее значительные скачкообразные изменения скорости, преломляются и отражаются на сейсмических разделах, расположенных на глубинах 33 км и 2900 км от поверхности (см. рис.). Эти резкие сейсмические границы позволяют разделить недра планеты на 3 главные внутренние геосферы – земную кору, мантию и ядро.

Земная кора от мантии отделяется резкой сейсмической границей, на которой скачкообразно возрастает скорость и продольных, и поперечных волн. Так скорость поперечных волн резко возрастает с 6,7-7,6 км/с в нижней части коры до 7,9-8,2 км/с в мантии. Эта граница была открыта в 1909 г. югославским сейсмологом Мохоровичичем и впоследствии была названа границей Мохоровичича (часто кратко называемой границей Мохо, или границей М). Средняя глубина границы составляет 33 км (нужно заметить, что это весьма приблизительное значение в силу разной мощности в разных геологических структурах); при этом под континентами глубина раздела Мохоровичича может достигать 75-80 км (что фиксируется под молодыми горными сооружениями – Андами, Памиром), под океанами она понижается, достигая минимальной мощности 3-4 км.

Ещё более резкая сейсмическая граница, разделяющая мантию и ядро, фиксируется на глубине 2900 км . На этом сейсмическом разделе скорость Р-волн скачкообразно падает с 13,6 км/с в основании мантии до 8,1 км/с в ядре; S-волны – с 7,3 км/с до 0. Исчезновение поперечных волн указывает, что внешняя часть ядра обладает свойствами жидкости. Сейсмическая граница, разделяющая ядро и мантию, была открыта в 1914 г. немецким сейсмологом Гутенбергом, и её часто называют границей Гутенберга , хотя это название и не является официальным.

Резкие изменения скорости и характера прохождения волн фиксируются на глубинах 670 км и 5150 км. Граница 670 км разделяет мантию на верхнюю мантию (33-670 км) и нижнюю мантию (670-2900 км). Граница 5150 км разделяет ядро на внешнее жидкое (2900-5150 км) и внутреннее твёрдое (5150-6371 км).

Существенные изменения отмечаются и на сейсмическом разделе 410 км , делящим верхнюю мантию на два слоя.

Полученные данные о глобальных сейсмических границах дают основание для рассмотрения современной сейсмической модели глубинного строения Земли.

Внешней оболочкой твёрдой Земли является земная кора , ограниченная границей Мохоровичича. Эта относительно маломощная оболочка, толщина которой составляет от 4-5 км под океанами до 75-80 км под континентальными горными сооружениями. В составе знмной коры отчетливо выделяется верхний осадочный слой , состоящий из неметаморфизованных осадочных пород, среди которых могут присутствовать вулканиты, и постилающая его консолидированная , или кристаллическая , кора , образованная метаморфизованными и магматическими интрузивными породами.Существуют два главных типа земной коры – континентальная и океанская, принципиально различающиеся по строению, составу, происхождению и возрасту.

Континентальная кора залегает под континентами и их подводными окраинами, имеет мощность от 35-45 км до 55-80 км, в её разрезе выделяются 3 слоя. Верхний слой, как правило, сложен осадочными породами, включающими небольшое количество слабометаморфизованных и магматических пород. Этот слой называется осадочным. Геофизически он характеризуются низкой скоростью Р-волн в диапазоне 2-5 км/с. Средняя мощность осадочного слоя около 2,5 км.
Ниже располагается верхняя кора (гранито-гнейсовый или «гранитный» слой), сложенный магматическими и метаморфическими породами богатыми кремнезёмом (в среднем соответствующими по химическому составу гранодиориту). Скорость прохождения Р-волн в данном слое составляет 5,9-6,5 км/с. В основании верхней коры выделяется сейсмический раздел Конрада, отражающий возрастание скорости сейсмических волн при переходе к нижней коре. Но этот раздел фиксируется не повсеместно: в континентальной коре часто фиксируется постепенное возрастание скоростей волн с глубиной.
Нижняя кора (гранулито-базитовый слой) отличается более высокой скоростью волн (6,7-7,5 км/с для Р-волн), что обусловлено изменением состава пород при переходе от верхней мантии. Согласно наиболее приятой модели её состав соответствует гранулиту.

В формировании континентальной коры принимают участие породы различного геологического возраста, вплоть до самых древних возрастом около 4 млрд. лет.

Океанская кора имеет относительно небольшую мощность, в среднем 6-7 км. В её разрезе в самом общем виде можно выделить 2 слоя. Верхний слой – осадочный, характеризующийся малой мощностью (в среднем около 0,4 км) и низкой скоростью Р-волн (1,6-2,5 км/с). Нижний слой – «базальтовый» - сложенный основными магматическими породами (вверху – базальтами, ниже – основными и ультраосновными интрузивными породами). Скорость продольных волн в «базальтовом» слое нарастает от 3,4-6,2 км/с в базальтах до 7-7,7 км/с в наиболее низких горизонтах коры.

Возраст древнейших пород современной океанской коры около 160 млн. лет.

Мантия представляет собой наибольшую по объёму и массе внутреннюю оболочку Земли, ограниченную сверху границей Мохо, снизу – границей Гутенберга. В её составе выделяется верхняя мантия и нижняя мантия, разделённые границей 670 км.

Верхняя мания по геофизическим особенностям разделяется на два слоя. Верхний слой - подкоровая мантия - простирается от границы Мохо до глубин 50-80 км под океанами и 200-300 км под континентами и характеризуется плавным нарастанием скорости как продольных, так и поперечных сейсмических волн, что объясняется уплотнением пород за счёт литостатического давления вышележащих толщ. Ниже подкоровой мантии до глобальной поверхности раздела 410 км расположен слой пониженных скоростей. Как следует из названия слоя, скорости сейсмических волн в нем ниже, чем в подкоровой мантии. Более того, на некоторых участках выявляются линзы, вообще не пропускающие S-волны, это даёт основание констатировать, что вещество мантии на этих участках находится в частично расплавленном состоянии. Этот слой называют астеносферой (от греч. «asthenes» - слабый и «sphair» - сфера ); термин введён в 1914 американским геологом Дж. Барреллом, в англоязычной литературе часто обозначаемый LVZ – Low Velocity Zone . Таким образом, астеносфера – это слой в верхней мантии (расположенный на глубине около 100 км под океанами и около 200 км и более под континентами), выявляемый на основании снижения скорости прохождения сейсмических волн и обладающий пониженной прочностью и вязкостью. Поверхность астеносферы хорошо устанавливается и по резкому снижению удельного сопротивления (до значений около 100 Ом . м).

Наличие пластичного астеносферного слоя, отличающегося по механическим свойствам от твёрдых вышележащих слоёв, даёт основание для выделения литосферы - твердой оболочки Земли, включающей земную кору и подкоровую мантию, расположенную выше астеносферы. Мощность литосферы составляет от 50 до 300 км. Нужно отметить, что литосфера не является монолитной каменной оболочкой планеты, а разделена на отдельные плиты, постоянно движущиеся по пластичной астеносфере. К границам литосферных плит приурочены очаги землетрясений и современного вулканизма.

Глубже раздела 410 км в верхней мантии повсеместно распространяются и P-, и S-волны, а их скорость относительно монотонно нарастает с глубиной.

В нижней мантии , отделённой резкой глобальной границей 670 км, скорость Р- и S-волн монотонно, без скачкообразных изменений, нарастает соответственно до 13,6 и 7,3 км/с вплоть до раздела Гутенберга.

Во внешнем ядре скорость Р-волн резко снижается до 8 км/с, а S-волны полностью исчезают. Исчезновение поперечных волн даёт основание предполагать, что внешнее ядро Земли находится в жидком состоянии. Ниже раздела 5150 км находится внутреннее ядро, в котором возрастает скорость Р-волн, и вновь начинают распространяться S-волны, что указывает на его твёрдое состояние.

Фундаментальный вывод из описанной выше скоростной модели Земли состоит в том, что наша планета состоит из серии концентрических оболочек, представляющих железистое ядро, силикатную мантию и алюмосиликатную кору.

Геофизическая характеристика Земли

Распределение массы между внутренними геосферами

Основная часть массы Земли (около 68%) приходится на ее относительно лёгкую, но большую по объёму мантию, при этом примерно 50% приходится на нижнюю мантию и около 18% – на верхнюю. Оставшиеся 32% общей массы Земли приходятся в основном на ядро, причем его жидкая внешняя часть (29% общей массы Земли) гораздо тяжелее, чем внутренняя твердая (около 2%). На кору остается лишь менее 1% общей массы планеты.

Плотность

Плотность оболочек закономерно возрастает к центру Земли (см. рис). Средняя плотность коры составляет 2,67 г/см 3 ; на границе Мохо она скачкообразно возрастает с 2,9-3,0 до 3,1-3,5 г/см 3 . В мантии плотность постепенно возрастает за счет сжатия силикатного вещества и фазовых переходов (перестройкой кристаллической структуры вещества в ходе «приспособления» к возрастающему давлению) от 3,3 г/см 3 в подкоровой части до 5,5 г/см 3 в низах нижней мантии. На границе Гутенберга (2900 км) плотность скачкообразно увеличивается почти вдвое – до 10 г/см 3 во внешнем ядре. Еще один скачок плотности – от 11,4 до 13,8 г/см 3 - происходит на границе внутреннего и внешнего ядра (5150 км). Эти два резких плотностных скачка имеют различную природу: на границе мантия/ядро происходит изменение химического состава вещества (переход от силикатной мантии к железному ядру), а скачок на границе 5150 км связан с изменением агрегатного состояния (переход от жидкого внешнего ядра к твердому внутреннему). В центре Земли плотность вещества достигает 14,3 г/см 3 .

Давление

Давление в недрах Земли рассчитывается на основании ее плотностной модели. Увеличение давления по мере удаления от поверхности обуславливается несколькими причинами:

сжатием за счет веса вышележащих оболочек (литостатическое давление);

фазовыми переходами в однородных по химическому составу оболочках (в частности, в мантии);

различием в химическом составе оболочек (коры и мантии, мантии и ядра).

У подошвы континентальной коры давление составляет около 1 ГПа (точнее 0,9*10 9 Па). В мантии Земли давление постепенно растет, на границе Гутенберга оно достигает 135 ГПа. Во внешнем ядре градиент роста давления увеличивается, а во внутреннем ядре, наоборот, уменьшается. Расчетные величины давления на границе между внутренним и внешним ядрами и вблизи центра Земли составляют соответственно 340 и 360 ГПа.

Температура. Источники тепловой энергии

Протекающие на поверхности и в недрах планеты геологические процессы в первую очередь обусловлены тепловой энергией. Источники энергии подразделяются на две группы: эндогенные (или внутренние источники), связанные с генерацией тепла в недрах планеты, и экзогенные (или внешние по отношению к планете). Интенсивность поступления тепловой энергии из недр к поверхности отражается в величине геотермического градиента. Геотермический градиент – приращение температуры с глубиной, выраженной в 0 С/км. «Обратной» характеристикой является геотермическая ступень – глубина в метрах, при погружении на которую температура повысится на 1 0 С. Средняя величина геотермического градиента в верхней части коры составляет 30 0 С/км и колеблется от 200 0 С/км в областях современного активного магматизма до 5 0 С/км в областях со спокойным тектоническим режимом. С глубиной величина геотермического градиента существенно уменьшается, составляя в литосфере, в среднем около 10 0 С/км, а в мантии – менее 1 0 С/км. Причина этого кроется в распределении источников тепловой энергии и характере теплопереноса.

Источниками эндогенной энергии являются следующие.
1. Энергия глубинной гравитационной дифференциации , т.е. выделение тепла при перераспределении вещества по плотности при его химических и фазовых превращениях. Основным фактором таких превращений служит давление. В качестве главного уровня выделения этой энергии рассматривается граница ядро – мантия.
2. Радиогенное тепло , возникающее при распаде радиоактивных изотопов. Согласно некоторым расчётам, этот источник определяет около 25% теплового потока, излучаемого Землёй. Однако необходимо принимать во внимание, что повышенные содержания главных долгоживущих радиоактивных изотопов – урана, тория и калия отмечаются только в верхней части континентальной коры (зона изотопного обогащения). Например, концентрация урана в гранитах достигает 3,5 10 –4 %, в осадочных породах – 3,2 10 –4 %, в то время как в океанической коре она ничтожно мала: около 1,66 10 –7 %. Таким образом, радиогенное тепло является дополнительным источником тепла в верхней части континентальной коры, что и определяет высокую величину геотермического градиента в этой области планеты.
3. Остаточное тепло , сохранившееся в недрах со времени формирования планеты.
4. Твёрдые приливы , обусловленные притяжение Луны. Переход кинетической приливной энергии в тепло происходит вследствие внутреннего трения в толщах горных пород. Доля этого источника в общем тепловом балансе невелика – около 1-2 %.

В литосфере преобладает кондуктивный (молекулярный) механизм теплопереноса, в подлитосферной мантии Земли происходит переход к преимущественно конвективному механизму теплопереноса.

Расчёты температур в недрах планеты дают следующие значения: в литосфере на глубине около 100 км температура составляет около 1300 0 С, на глубине 410 км – 1500 0 С, на глубине 670 км – 1800 0С, на границе ядра и мантии – 2500 0 С, на глубине 5150 км – 3300 0 С, в центе Земли – 3400 0 С. При этом в расчёт принимался только главный (и наиболее вероятный для глубинных зон) источник тепла – энергия глубинной гравитационной дифференциации.

Эндогенное тепло определяет протекание глобальных геоднинамических процессов. в том числе перемещение литосферных плит

На поверхности планеты важнейшую роль имеет экзогенный источник тепла – солнечное излучение. Ниже поверхности влияние солнечного тепла резко снижается. Уже на небольшой глубине (до 20-30 м) располагается пояс постоянных температур – область глубин, где температура остаётся постоянной и равна среднегодовой температуре района. Ниже пояса постоянных температур тепло связано с эндогенными источниками.

Магнетизм Земли

Земля представляет собой гигантский магнит с магнитным силовым полем и магнитными полюсами, которые располагаются поблизости от географических, но не совпадают с ними. Поэтому в показаниях магнитной стрелки компаса различают магнитное склонение и магнитное наклонение.

Магнитное склонение – это угол между направлением магнитной стрелки компаса и географическим меридианом в данной точке. Этот угол будет наибольшим на полюсах (до 90 0) и наименьшим на экваторе (7-8 0).

Магнитное наклонение – угол, образуемый наклоном магнитной стрелки к горизонту. В приближении к магнитному полюсу стрелка компаса займёт вертикальное положение.

Предполагается, что возникновение магнитного поля обусловлено системами электрических токов, возникающих при вращении Земли, в связи с конвективными движениями в жидком внешнем ядре. Суммарное магнитное поле складывается из значений главного поля Земли и поля, обусловленного ферромагнитными минералами в горных породах земной коры. Магнитные свойства характерны для минералов – ферромагнетиков, таких как магнетит (FeFe 2 O 4), гематит (Fe 2 O 3), ильменит (FeTiO 2), пирротин (Fe 1-2 S) и др., которые являются полезными ископаемыми и устанавливаются по магнитным аномалиям. Для этих минералов характерно явление остаточной намагниченности, которая наследует ориентировку магнитного поля Земли, существовавшего во время образования этих минералов. Реконструкция места положения магнитных полюсов Земли в разные геологические эпохи свидетельствует о том, что магнитное поле периодически испытывало инверсию - изменение, при котором магнитные полюсы менялись местами. Процесс изменения магнтиного знака геомагнитного поля длится от нескольких сотен до несмкольких тысяч лет и начинается с интенсивного понижения напряженности главного магнитного поля Земли практически до нуля, затем устанавливается обратная полярность и через некоторое время следует быстрое восстановление напряженности, но уже противоположного знака. Северный полюс занимал место южного и, наоборот, с примерной частотой 5 раз в 1 млн. лет. Современная ориентация магнитного поля установилась около 800 тыс. лет назад.

Ядро Земли центральная, наиболее глубокая геосфера Земли. Его средний радиус ок. 3,5 тыс. км. Делится на внешнее ядро и субъядро (внутренне ядро). Температура в центре ядра Земли, по-видимому, достигает 5000ºС, плотность ок. 12,5 т/м 3 , давление до 361 (гига) ГПа (3,5*10 6 атм). Предположительно ядро металлическое (железно-никелевое). Внешнее ядро – жидкое, а субъядро – твердое. С этим связано наличие у Земли магнитного поля. Мантия оболочка «твердой» Земли, расположенная между земной корой и ядром Земли. Составляет 83% объема Земли и 67% ее массы. Верхняя граница проходит на глубине от 5-10 до 70 км по поверхности Мохоровичича . Нижняя – на глубине 2900 км по границе с ядром Земли. Предполагают, что мантия Земли в основном сложена оливином и делится на верхнюю мантию толщиной ок. 900 км и нижнюю – ок. 2000 км. Благодаря высокому давлению – от 1 до 136 ГПа вещество мантии Земли, по-видимому, находится в твердом кристаллическом состоянии (за исключением астеносферы). Температура в мантии, по-видимому, не превышает 2000-2500ºС. С процессами в мантии Земли связаны тектонические движения, магматизм, вулканизм и др.

В верхней мантии находится слой пониженной твердости, прочности и вязкости – астеносфера, подстилающий литосферу. Верхняя граница на глубине ок. 100 км под материками и ок. 50 км под дном океана; нижняя – на глубине 250- 350 км. Астеносфера играет важную роль в происхождении эндогенных процессов, протекающих в земной коре (магматизм, метаморфизм и др.). Благодаря своей пластичности астеносфера выполняет роль субстрата, по которому могут перемещаться литосферные плиты. Вещество в астеносфере возможно, аморфно.

Верхняя твердая оболочка Земли называется земной корой . Она ограничена снизу поверхностью Мохоровичича. Мощность ее составляет от 5 до 75 км. По строению различают: материковую (континентальную) и океаническую кору.

Материковая кора под равнинами имеет мощность 25- 30 км, а под горами – до 75 км. В среднем она составляет 33- 35 км. Под горами отмечается утолщение земной коры, то есть выступы ее в глубь – «корни гор». Особенно большой толщины кора достигает под Памиром, Гиндукушем – более 60 км. Гималаями (около 75 км) и Андами (75 км). Таким образом, самые высокие горы имеют самые глубокие «корни» в земных недрах.

При сейсмическом зондировании материковой коры выделяются три основных ее слоя:

1. Верхний из них носит название осадочного слоя . Это наименее плотный слой толщиной: от 2- 3 км на платформах до 20- 30 км в подвижных областях. Этот слой представлен осадочными породами, то есть глинами, песками, песчаниками, известняками и мергелями. На нем залегает почвенный покров.
2. Второй, наиболее толстый слой материковой земной коры, называется гранитным слоем. Он имеет большую плотность и сложен кристаллическими горными породами, то есть гранитами и гнейсами. Этот слой местами выходит на поверхность. Например, на Кольском полуострове; в центральных частях горных хребтов Кавказа, Тянь-Шаня, Алтая, Альп, Карпат и др. В большинстве случаев гранитный слой покрыт осадочными породами, мощность которых достигает 10- 20 км.
3. Третий слой материковой коры называют базальтовым слоем . Он состоит из наиболее тяжелых горных пород – базальтов, габбро и др., его толщина составляет 15- 25 км.

Океаническая кора тоньше материковой и состоит из двух слоев – осадочного и базальтового. Мощность осадочного слоя колеблется и изменяется от нескольких метров на срединно-океанических хребтах до 3 км – на остальной части океанического дна. Большая часть этого слоя представлена известняковыми илами, образовавшимися за счет остатков живых организмов.

Толщина базальтового слоя изменяется от 3-х до 12 км. Между этими двумя основными слоями выделяется слой с меньшей, чем у базальтов, плотностью: его толщина от 1 до 2 км. Считается, что он представлен лавами и вулканическими туфами.

Таким образом, общая толщина океанической коры составляет 5- 15 км, увеличиваясь до 20 км вблизи материков, под океаническими островами и подводными хребтами. В центральной части Тихого океана мощность коры составляет около 5- 8 км.

Основную роль в исследовании внутреннего строения Земли играют сейсмические методы, основанные на исследовании распространения в ее толще упругих волн (как продольных, так и поперечных), возникающих при сейсмических событиях – при естественных землетрясениях и в результате взрывов.