Строение геосферы Земли


Строение Земли

О строении Земли геологи судят в основном по сейсмическим данным, получаемым при регистрации колебаний, вызываемых землетрясениями и атомными взрывами. При этом учитывается скорость передачи колебаний, а также тот факт, что продольные волны распространяются в любой среде - жидкой, твердой, газообразной, а поперечные лишь в средах, обладающих большой упругостью, т.е. в твердых объектах. Продольные волны связаны со сжатием среды (любой). В поперечной волне частицы среды колеблются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения продольной волны. Поперечные волны связаны с деформацией сдвига упругой среды. Примером поперечных волн являются колебания, распространяющиеся вдоль струн музыкальных инструментов.

Итак, сейсмические данные позволяют судить о пространственных параметрах Земли и ее структурных компонентов, равно как о их агрегатном состоянии. Важные сведения о строении Земли получены также в результате сверхглубокого бурения (Кольская скважина имеет глубину более 12 км).

В глобальном масштабе форма Земли лучше всего аппроксимируется эллипсоидом вращения - равновесной фигурой вращающейся однородной жидкости. Форма Земли (геоид) незначительно отличается от сфероида вращения. Именно поэтому географические глобусы изготавливают в форме шаров. У современной Земли полярный радиус Rп = 6356, 78 км, а экваториальный Rэ = 6378, 16 км. Масса Земли Мз = 5,98  1024 кг, а средняя плотность ρз = 5, 52 г/см 3.

Строение Земли очень сложное, оно постоянно детализируется. Поскольку Земля имеет форму шара, то ее структурные части обычно представляют в виде сферных оболочек, число которых растет вместе с развитием геологического знания. Для начала рассмотрим внутренние геосферные оболочки.

Первоначально Земля многими людьми воспринималась как твердый шар, более или менее однородный. Затем, в частности в связи с желанием осмыслить огненные выбросы вулканов, возникло представление о двухступенчатой структуре Земли: внутренняя оболочка, мантия, покрыта земной корой. Переход к трехступенчатой структуре Земли был связан с выделением ядра Земли. Дальнейшая дифференциация представлений о структуре Земли оказалась связанной с выделением ее своеобразных подоболочек.

Согласно современным воззрениям, ядро Земли состоит из внутреннего и внешнего ядра. Мантия Земли состоит из верхней, средней и нижней мантии, отделенных друг от друга разделами. Что касается земной коры, то она отделена от верхней части мантии, превратившейся в результате остывания в горную породу, разделом Мохоровичича. Земная кора, раздел Мохоровичича и упомянутая верхняя часть мантии образуют литосферу (от греч. litos - камень). К литосфере примыкает астеносфера (от греч. astenes - слабый), слой пониженной вязкости в верхней части мантии Земли. Над земной корой находится атмосфера, а области океанов, морей, озер и рек образуют гидросферу. Магнитное поле Земли образует ее магнитосферу.

Итак, восхождение от центра Земли к ее периферии связано с пересечением следующих геосферных оболочек:

1) внутреннего ядра Земли;

2) внешнего ядра Земли;

3) нижней мантии Земли;

4) средней мантии Земли;

5) верхней мантии Земли;

6) астеносферы;

7) нижнего слоя литосферы;

8) раздела Мохоровичича;

9) земной коры (верхнего слоя литосферы);

10) гидросферы;

11) атмосферы;

12) магнитосферы.

Геосферные оболочки

Земных оболочек, или геосфер, выделяют очень много.

Внутреннее ядро Земли представляет собой шар диаметром 2500 км и имеет кристаллическую структуру. Сейсмологи заметили, что волны землетрясений, пробегающие планету от края до края, затрачивают на свой путь в зависимости от его направления различные промежутки времени. Это обстоятельство согласуется с расчетами, которые показывают, что внутреннее ядро Земли, являясь кристаллом, обладает анизотропными свойствами, оно пропускает сейсмические волны в одном направлении с большей скоростью, чем в другом. Разумеется, речь идет о весьма специфическом кристалле. Его температура превышает 4000 ˚С, но благодаря гигантскому давлению он сохраняет свою кристаллическую природу. Внутреннее ядро Земли более чем на 90% состоит из железа.

Американские геофизики Рональд Кохен и Ларс Штихруде опубликовали эту гипотезу в научном журнале «Science» (США). Они пишут, что гипотеза может объяснить многие свойства нашей планеты, кажущиеся пока загадочными. Например, некоторые особенности магнитного поля или поведение во время переполюсовки, т.е. когда Северный магнитный полюс становится Южным и наоборот, что бывало неоднократно.

Гипотезе о сверхкристалле внутри планеты (авторы сравнивают его с бриллиантом в центре Земли) привлекла внимание сейсмологов, которые заметили, что волны землетрясений затрачивают на свой путь на 4 секунды больше, нежели сейсмические волны, идущие от полюса до полюса.

Расчеты геофизиков показали, что кристалл, ионы которого расположены в гексагональной структуре и плотно прижаты друг к другу, пропускают через себя сейсмические колебания, идущие сверху или снизу, с большей скоростью, нежели волны, проходящие с боковых направлений. Всем кристаллам присуща анизотропия: их физические свойства различны по разным направлениям. Вдоль оси или поперек нее кристалл проводит тепловые и звуковые колебания по-разному. Если бы земное ядро состояло из множества кристаллов, анизотропия была бы погашена разноориентированными кристаллами. Но опыты Р. Кохена и Л. Штихруде отчетливо показали проявление анизотропии. Значит, можно говорить о том, что внутренне ядро Земли - единый, целый кристалл.

Внешнее ядро Земли находится в жидком состоянии (в нем затухают поперечные волны) и в основном содержит железо, его окислы, а также примеси более легких веществ - кремния, серы.

Железная составляющая ядра Земли ответственна за земной магнетизм. А энергичное конвективное движение внутри внешнего ядра объясняет неоднократные изменения магнитной полярности нашей планеты, о чем свидетельствуют палеомагнитные данные. Древние породы «запоминают», фиксируют направленность магнитного поля Земли. Исследования этих пород показывают, что северный и южный магнитный полюса неоднократно менялись местами.

Мантия Земли, расположенная от подошвы земной коры вплоть до поверхности ядра, находящегося на глубине 2900 км, главным образом состоит из окислов кремния, магния и железа. Вещество мантии находится в жидком состоянии, но вязкость его очень высока. Для всей мантии характерны интенсивные конвективные движения, обуславливающие смещение литосферных плит и приводящие к извержению на поверхность Земли высокотемпературных (ок. 1300 ˚С) лав - мантийного вещества.

Ближайшие к поверхности Земли слои мантии - это лито- и  астеносфера. Литосфера состоит из плит, которые при отсутствии внешних воздействий длительное время сохраняют свою форму. Как правило, располагающееся под литосферными плитами вещество астеносферы частично размягчено и под давлением деформируется, течет.

Деформируемость астеносферы допускает скольжение по ней литосферных плит. Перемещение литосферных плит, крупнейшие из которых Тихоокеанская, Североамериканская, Южноамериканская, Африканская, Евроазиатская, Индоавстралийская и Антарктическая, составляют единицы сантиметров (около 3 см) в год, однако за миллионы лет им удавалось преодолевать пути в тысячи километров. Соприкасаясь, литосферные плиты взаимодействуют друг с другом и проходят во вращение. Существует весьма тщательно разработанные глобальные кинематические модели современного относительного движения литосферных плит. Мощность (толщина) литосферных плит составляет от 2 до 100 км.

Земная кора - внешняя оболочка Земли, толщиной менее 10 км под океанами, но более 25 км под материками. Образуется за счет движения литосферных плит, разрушения и выветривания горных пород и осадка накоплений. Океаническая кора состоит в основном из базальта - пород вулканического происхождения, в которых преобладает полевой шпат и пироксен. Континентальная кора сложена главным образом из гранитов и магматических пород, содержащих преимущественно кварц, кальциевый полевой шпат, кислый плагиоклаз и слюду. Плотность океанической коры больше, чем плотность континентальной коры. Максимальная контрастность рельефа определяется тектонической активностью Земли и достигает 16 - 17 км. Со временем неровности рельефа уменьшаются, «растекаются» в следствие действия на земную кору гравитационных сил. По этой причине перепады высот в таких древних горных поясах как, например, Уральские горы, не превышает 2 км.

Гидросфера состоит из вод океанов, морей, озер, рек, подземных источников и материковых льдов, а также воды, содержащиеся в связанном состоянии в гидросиликатах. Большая часть гидросферы (около 63%) сосредоточена в Мировом океане. На пресные воды суши приходится не более 0,05% всех вод, сосредоточенных в верхних геосферах Земли (21,73 1020 кг). Средняя глубина океана 3711 м, а наибольшая 11022 м (Марианский желоб в Тихом океане). Средняя годовая температура поверхности вод океана 17,5 ˚С. Мировой океан занимает 70,8% земной поверхности. В океанической воде растворены едва ли не все элементы таблицы Менделеева, преобладает хлор (19,35%) и натрий (10,76%).

Подземными водами называют все воды, находящиеся под земной поверхностью. Если вода свободно течет по подземному каналу, в толще твердых пород (трещины, пещеры), то имеет место подземный водоток, скорость которого может измеряться метрами в секунду. Воды, просачивающиеся через рыхлые породы (песок, гравий, галька), называются фильтрующимися. В последнем случае воде приходится преодолевать силы трения у каждого зерна рыхлой породы, а скорость водотока будет измеряться метрами в сутки. Самый ближний к поверхности Земли горизонт носит название грунтовых вод. Подземные воды бывают водозные (влага атмосферы) и ювениальные (из паров воды раскаленной магмы). Ювениальные воды в местах недавнего вулканизма часто образуют источники. Вода, попавшая в грунт, доходит до водоупорного слоя. Накапливаясь на его поверхности, она обильно пропитывает вышележащие породы и образует так называемый водоносный горизонт (обычно он имеет наклон). Когда появляется искусственный или естественный доступ к такому горизонту, возникают артезианские колодцы. В определенных условиях подстилающим слоем может быть мерзлота.

Озера, болота обладают огромным многообразием. По генезису озера могут быть ледниковыми, проточными, термокарстовыми, солеными. Бывают озера, промерзающие до дна и частично. Есть озера, в которых солнечные лучи достигают дна (глубиной 4,5 м и менее). Их часто называют прудами, и в них имеется растительность по всей поверхности дна. В целом растительная и животная жизнь озер очень разнообразна. Однако первопричиной происхождения большинства озер является таяние ледников.

Болотами называют участки земной поверхности, избыточно увлажненные пресной или соленой водой. Наиболее распространены болота травяные, моховые и смешанные.

Ледники занимают на земном шаре площадь, приблизительно равную 16 млн км2. Если бы весь этот лед растаял, то уровень Мирового океана повысился бы на 50 м. Среди современных ледников гляциологи различают два типа - материковые покровы, или щиты, и горные ледники. Наиболее крупные современные материковые ледниковые покровы расположены в Антарктиде и Гренландии. В некоторых их районах толщина льда превышает 3200 м. На вершинах высоких гор и горных хребтов ледники являются составной частью горных снегов. Высота снеговой линии зависит от количества осадков. В Пиренеях она составляет 2800 м, на Кавказе - 2900-3500 м, в горах Тянь-Шаня - 3500-4500 м. Наиболее распространены ледники скандинавского типа (плоские вершины, небольшие языки) и альпийского типа (долинные, заполняющие речные долины, и висячие языки, характерные для высоких гор).

В реках течение и расход воды определяется наклоном русла, который, в свою очередь, определяется отношением разности высот двух пунктов к длине участка, расположенной между этими пунктами. Уклон русла многих равнинных рек ничтожно мал. Так, например, уклон Волги от Волгограда до Астрахани составляет 0,00002, а Днепра от Каховки до Херсона - 0,00001. Это означает понижение уровня реки на 2 и 1 см соответственно на 1 км длины. Даже из этих цифр видно, что строительство ГЭС на Днепре и Волге должно было поставить их течение на грань состояния стоячей воды, что имеет место на некоторых участках этих рек. В зависимости от величины кинетической энергии воды, переносимой в реках, последние совершают два типа работы: 1) кинетическая энергия воды преодолевает силу тяжести и силу сцепления частичек, слагающих дно и стенки русла; 2) кинетическая энергия воды не достаточна для переноса частиц. Результатом первого вида работы является эрозия окружающих берегов; второго - отложение, аккумуляция материала и повышение дна.

Продовольственные запасы Мирового океана огромны. Здесь обитает 150 тыс. видов гидробионтов с общей массой приблизительно 30 млрд т. Масса водорослей составляет 1,7 млрд т, но они ежедневно производят почти в 10 раз больше органически веществ, чем остальные гидробионты, т. к. биологическая активность их превышает таковую других видов приблизительно в 200 раз.

Атмосфера Земли - это ее газовая (воздушная) оболочка, распространяющаяся до высот более 100 км. Атмосфера вращается вместе с Землей. У поверхности Земли современная атмосфера состоит в основном из азота (78,1%) и кислорода (21%). Давление и плотность воздуха с высотой убывают. На высоте 20-25 км находится слой озона, предохраняющий живые организмы на Земле от вредного для коротковолнового излучения. В атмосфере часто выделяют 5 слоев: тропосфера (достигает на экваторе толщины 16-18 км), стратосфера (доходит до 55 км), мезосфера (достигает высоты 80 км, у верхней границы температура 80-90 ˚С), ионосфера (расположена до высоты 800 км, оказывает значительное влияние на распространение радиоволн), экзосфера (простирается от ионосферы до 2000-3000 км, эффективная температура порядка 2000 ˚С). Для атмосферы Земли характерен так называемый парниковый эффект, обуславливаемый поглощением молекулами H2O, CO2 и O3 теплового излучения нагретого солнечными лучами поверхности планеты. Техногенная деятельность человека резко увеличила в атмосфере содержание углекислого газа CO2, в этой связи парниковый эффект представляет опасность для здоровья людей.

Воздух в атмосфере загрязнен: даже над открытым морем в 1 см3 содержится более 1000 пылинок. В атмосферу с земной поверхности непрерывным потоком поступают всевозможные примеси, порождаемые геохимическими и биологическими процессами, а также человеческой деятельностью. Прежде чем вернуться на Землю, в почву или воды, эти вещества вместе с потоками воздуха странствуют в атмосфере, участвуя в микрохимических и микрофизических процессах.

Магнитосфера Земли простирается на десятки и даже сотни тысяч километров. Состояние магнитосферы определяется взаимодействием магнитного поля Земли с потоками космических, особенно высокоэнергетических, частиц. Конфигурация силовых линий магнитного поля Земли такова, что движущиеся по ним частицы попадают в так называемые ловушки, курсируя от Северного полушария в Южное и обратно. Магнитные ловушки подобно озоновому слою защищают живые организмы Земли от вредных для них излучений. К сожалению, техническая деятельность человечества не только разрушает не только озоновый слой, но и магнитные ловушки. Проблемы с озоновым слоем стали предельно актуальными уже в наши дни. Проблемы с магнитными ловушками ожидают человечество в будущем, возможно весьма недалеком.

Магнитные явления, наблюдаемые на земной поверхности, в атмосфере и космосе, дают основание считать Землю огромным магнитом с двумя четко выраженными магнитными полюсами. Северный магнитный полюс находится в Северной Америке на полуострове Ботия (70˚5'3'' северной широты и 96˚45'3'' западной долготы). Южный магнитный полюс находится в Антарктиде на станции Восток (75˚6' южной широты и 154˚8' восточной долготы). Линии магнитных сил образуют магнитные меридианы, которые не совпадают с географическими. В действии магнитных сил встречаются аномалии, которые иногда имеют распространение на тысячи километров. Имеют место и магнитные бури, благодаря которым возникают серьезные радиопомехи, вплоть до прекращения связи. Установлено, что магнитные бури тесно связаны с полярными сияниями и имеют 11-летнюю периодичность, совпадающую с 11-летней периодичностью возникновения солнечных пятен. Магнитное поле Земли имеет яркую историю, его изучает палеомагнетизм. Этой наукой были установлены два важнейших факта: 1) полярность магнитного поля Земли несколько раз менялась на протяжении истории ее развития; 2) расположение континентов относительно магнитных полюсов радикально менялось, подчиняясь определенной системе. Эти факты означают не просто перемещение магнитных полюсов, но и то, что континенты меняют магнитную ориентацию относительно друг друга. Последнее является надежным доказательством дрейфа континентов.

Видео: 007 GeoSphere Геосфера


Реклама