Строение Земли

Сведения о строении Земли геологи получают на основе анализа сейсмических данных (при землетрясениях, взрывах атомных бомб). При этом учитывается, что продольные волны распространяются в любых средах, а поперечные только в средах с высокой упругостью, т.е. в твердых средах. Продольные волны связаны со сжатием любой среды. В поперечной волне частицы колеблются в плоскости перпендикулярной направлению распространения продольной волны. Поперечные волны связаны с деформацией сдвига упругой волны. Важные сведения о строении Земли дают также данные сверхглубокого бурения.

(Одной из самых глубоких скважин считается скважина на Кольском полуострове. Ее глубина составляет около 12 километров)

Форма Земли – геоид. В геометрических представлениях геоид – это эллипсоид вращения. Геоид в глобальном масштабе лишь незначительно отличается от сфероида вращения.

Полярный радиус Земли составляет 6356,78 км.

Экваториальный - 6378,16 км

Масса Земли – 5,98 *1024 кг.

Средняя плотность – 5,52 г/см3 .

Строение Земли очень сложное, оно постоянно детализируется.

В строении Земли выделяют следующие оболочки:

1 Ядро

2. мантия

3. астеносфера

4. литосфера

5. гидросфера

6. атмосфера

7. магнитосфера.

Каждая из перечисленных оболочек в свою очередь имеет сложное строение – состоит из ряда отличающихся друг от друга по строению и плотности слоев.

Ядро.

Ядро Земли двухслойное. Внутреннее ядро – это шар диаметром 2500 км. Оно имеет кристаллическую структуру. Внутреннее ядро является анизотропным, то есть пропускает сейсмические волны в одном направлении с большей скоростью, чем в другом направлении. Температура внутреннего ядра 4000 0 С. Более чем на 90% оно состоит из чистого железа. Внешнее ядро находится в жидком состоянии (в нем затухают поперечные волны). Толщина его составляет 400 км. Оно состоит из железа и его окислов, содержит примеси серы и кремния. Железная составляющая ядра ответственна за земной магнетизм. Конвективное движение в пределах верхнего ядра объясняет неоднократное изменение магнитной полярности нашей планеты. (Северный и южный полюс планеты неоднократно менялись местами).

Формирование ядра началось 4.6 млр лет назад. Наиболее активно его формирование шло 3-2.5 млр. Лет назад. В настоящее время масса ядра постоянно увеличивается. Полагают, что 500 млн лет назад все железо скопилось в ядре. В мантии содержится окись железа в форме Fe2O3 , которая постоянно превращается в форму FeO и переходит во внутреннее ядро.

2Fe2O3 = 3FeO + 5О

Ученые полагают, что постепенно ядро будет остывать и станет твердым. А через 5 млр лет, когда наша звезда Солнце превратится в белый карлик и произойдет вспышка сверхновой звезды, эта вспышка опалит Землю и мантия с земной корой сгорят, и останется только одно твердое ядро Земли. Оно станет космическим телом, и будет постепенно испаряться, или его захватит какая-либо звезда.

Мантия.

Находится в жидком состоянии. Состоит из окислов кремния, магния, железа. Отличается высокой вязкостью. В ней протекают конвективные явления, обуславливающие движение литосферных плит и вулканизм. Температура мантийного вещества 1300 0 С. В ее составе и строении выделяют три отличающиеся слоя, которые отделены друг от друга разделами. Выделяют нижнюю мантию (2900-2300 км), раздел II (2300 – 1700 км), среднюю мантию (1700 – 900 км) , раздел I (900 -670 км) , верхнюю мантию (670 – 400 км) , которую отделяет от астеносферы раздел Мохоровича (вместе с астеносферой 400- 120 км).

Мантия по составу близка к первичному веществу Земли. На протяжении миллиардов лет в ней идут процессы по перемещению тяжелых атомов в ядро, а легких в астеносферу и литосферу. В мантии отсутствуют такие соединения как FeS, Fe, Ni, K2 O, Na2 O, N2, H2.

В настоящее время основным веществом мантии являются MgO, SiO2 они составляют 83% от состава мантии, а в первоначальной мантии они составляли 57%. Полагают, что тепловые потери вызовут в будущем остывание мантии, и ее затвердение. Но еще до того как это наступит, при переходе Солнца в состояние белого карлика большая часть мантии сгорит и испарится.

Астоносфера.

Это слой пониженной вязкости в верхней части мантии Земли. Вещество астеносферы размягчено, под давлением оно течет и деформируется. Деформация астеносферы допускает скольжение ллитосферных плит.

Литосфера.

Это верхняя твердая оболочка Земли. Она не сплошная , а состоит из отдельных плит, которые без воздействий на них длительно сохраняют свою форму. Наиболее крупными плитами литосферы являются:

- тихоокеанская

- североамериканская

- южноамериканская

- африканская

- евроазиатская

- индоавстралийская

- антарктическая.

Скорость скольжения плит вдоль астеносферы может домтигать 3 см в год. Но за миллионы лет это расстояние складывается в тысячи км. Соприкасаясь, литосферные плиты взаимодействуют и приходят во вращение. Мощность и толщина литосферных плит неоднородна она колеблется от 20 до 120 км. Под океанами толщина литосферных плит меньше, а под материками больше.

Земная кора.

Это верхний слой литосферы. Толщина его не превышает 10-30 км. (Под океанами меньше 10 км, под материками 25-30 км). Образуется за счет выветривания и разрушения горных пород литосферы и осадконакоплений. Океаническая кора состоит в основном из базальтов – пород вулканического происхождения, в которых преобладают полевой шпат и пироксен.. континентальная кора сложена из гранитов и магматических пород, содержащих кварц, кальциевый полевой шпат, кислый плексиглаз и слюду. Плотность океанической коры больше, чем континентальной. Максимальная контрастность рельефа земной коры может достигать 16-17 км.

Литосфера начала формироваться 4-3.5 млр лет назад при остывании частично расплавленного вещества мантии. Литосферу часто называют «силикатный лед» так как она содержит много силикатных кислот и формируется подобно образованию льда на поверхности воды. Через 2 млр лет возник суперконтинент – Пангея I. Затем в результате тектонической деятельности Земли Пангея раскололась на два континента Годвана и Лавразия. Позднее они соединились горным хребтом и возник единый суперконтинент Пангея II, который в более позднее время раскололся на плиты. Современная история литосферы связана с тектоникой океанической коры. При раздвижении литосферных плит, вещество астеносферы внедряется в разломы рифовых зон (данное явление называется спрединг) и охлаждаясь образует молодую океаническую литосферу. Океаническая кора может надвигаться на концы литосферных плит – в результате образуются складчатые структуры – горы. В глубоких морских желобах океанические плиты могут заплывать по астеносфере под континентальные плиты. Обломки океанических плит, попадая в мантию опускаются вниз вплоть до ядра и вновь поднимаются на поверхность (данное явление носит название субсдукции). Так осуществляются циклы тектонической деятельности Земли. Тектонические циклы – это этапы общей эволюции Земли. Их длительность 150-200 млн лет. завершается тектонический цикл складчатостью (горообразованием) на поверхности Земли. Полагают, что в будущем произойдет замедление тектонической деятельности Земли и ее остановка.

Гидросфера.

Это водная оболочка Земли. Она включает: моря и океаны (63% от общего состава гидросферы). Они занимают 71% земной поверхности. Континентальные пресные воды – 0.045% - реки, озера, ручьи, водохранилища, пруды и др. Подземные воды - 35% . Льды – 1.75%. Соленые континетнтальные воды – 0.2%. (Состав гидросферы приводится по Канке).

У молодой Земли гидросферы не было. Из-за излияния вещества мантии на поверхность Земли в местах с пониженным давлением это вещество вскипало и испарялось. При этом выделялись летучие вещества, в том числе и пары воды. Чем сильнее были конвективные потоки в мантии , тем активней магма изливалась на поверхность Земли и испарялась. В результате конденсации паров воды возник на поверхности первоначально мелкий океан. Глубина его увеличивалась медленно, так как много воды поглощалось океанической и континентальной корой. После насыщения последних около 2-2.2 млр лет назад дно океана стало быстро опускаться (до средней глубины современного океана). Наибольший приток воды в гидросферу наблюдался 2.6 млр лет назад. Приток воды в мировой океан происходит и в наши дни, и будет продолжаться и в дальнейшем. Ослабление тектонической деятельности Земли, остывание мантии приведет к поглощению части воды глубокозалегающими осадочными породами океанической литосферы – и вновь станут видны срединно-океанические хребты (через 600 млр лет). Но превращение Солнца в белый карлик (через 5 млр лет) приведет к полному испарению Мирового океана.

Атмосфера. ( в переводе с греч. Atmos – шар и сфера)

Это газовая, воздушная многослойная оболочка Земли. Возникла одновременно с Землей в результате процесса дегазации. Первичная атмосфера Земли (протоатмосфера) состояла из летучих соединений распространенных в космосе: метана, аммиака, водорода, азота, углекислого газа. Плотность ее постепенно увеличивалась за счет летучих соединений попавших на Землю в связанном состоянии (вода с гидроксилитами, углекислый газ с корбанатами). 3 миллиарда лет назад плотность атмосферы, состоявшей в основном из азота и углекислого газа, была высокой и давление составляло 4 атм. Затем, после насыщения серпентинового слоя океанической коры водой, начался процесс связывания углекислого газа в доломитах, и произошло уменьшение плотности атмосферы почти до современного. Обеднение атмосферы углекислым газом, задерживающим инфракрасное излучение привело к снижению температуры атмосферы от 90⁰С до 60⁰ С и началось первое оледенение (2.4 млр лет назад). Дальнейшее уменьшение концентрации углекислого газа обусловлено фотосинтетической деятельностью живых организмов гидросферы, а затем и суши. Процесс фотосинтнза привел к появлению и накоплению в атмосфере кислорода. Кроме этого выделению кислорода способствовали процессы фотодисасоциации воды и галогонезации.

Масса атмосферы 5,15*10¹⁵ тонн.

В настоящее время в приземном слое атмосфера имеет следующий состав: N2 - 78%, O2 – 21%, CO2 - 0.003%, Ar - 0.9%, и в незначительном количестве примесные газы (водород, гелий, неон, аммиак, метан, окись углерода, окислы азота, двуокись серы и другие). В нижнем 20 километровом слое содержится водяной пар (от 3% в тропиках до 10^-5 % в Антарктиде). На высоте 20-25 км расположен азоновый слой, предохраняющий живые организмы от вредного коротковолнового излучения (УФИ). Выше 100 км растет доля легких газов, и на очень больших высотах в атмосфере преобладают гелий и водород (экзосфера). Часть молекул разлагается на атомы и ионы, образуя ионосферу. Давление и плотность воздуха убывают с высотой. В зависимости от распределения температуры атмосферу земли подразделяют на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, ионосферу, экзосферу. Атмосфера Земли обладает электрическим полем. Неравномерность ее нагревания способствует общей циркуляции атмосферы.