Внутреннее строение Земли

Изучение внутреннего строения Земли производится различными методами. Геологические методы, основанные на изучении естественных обнажений горных пород, разрезов шахт и рудников, кернов глубоких буровых скважин, дают возможность судить о строении приповерхностной части земной коры. Глубина известных пробуренных скважин достигает 7,5-9,5 км, и только одна в мире опытная скважина, заложенная на Кольском полуострове, уже достигла глубины 12 262м при проектной глубине до 15 км. В вулканических областях по продуктам извержения вулканов можно судить о составе вещества на глубинах 50-100 км.

Выделяют три главные области Земли:

1. Земная кора -верхняя оболочка Земли, мощность которой изменяется от 6-7 км под глубокими частями океанов, состоит преимущественно из гранитов; до 35-40 км под равнинными платформенными территориями континентов и до 50-80 км под горными сооружениями (наибольшие под Гималаями и Андами) находится базальтовый слой.

2. Мантия Земли, распространяющаяся до глубин 2900 км. В ее пределах по сейсмическим данным выделяются: верхняя мантия –(«сиалический слой» Si+Al); нижняя мантия – («симатический слой»Si+Mg) до глубины 2900 км.

Земная кора отделяется от верхней мантии достаточно резкой границей -слоем Мохоровичича (слой Мохо) , принятого за нижнюю границу земной коры. Второй резкий раздел совпадает с переходом от нижней мантии к внешнему ядру, где наблюдается скачкообразное падение скорости продольных волн с 13,6 до 8,1 км/с, а поперечные волны гасятся. Это свидетельствуют о необычайном состоянии вещества, отличающемся от мантии.

3. Ядро Земли – центральная наиболее глубокая часть планеты Земля, находящаяся по мантией Земли и , предположительно, состоящая из железо – никелевого сплава с примесью других сидерофильных элементов. Глубина залегания - 2900 км. Средний радиус сферы - 3,5 тыс.км. разделяется на твердое внутреннее ядро радиусом около 1300 км и жидкое внешнее ядро радиусом около 2200 км, между которыми иногда выделяется переходная зона. Температура в центре ядра достигает 5000˚ С, давление 361 ГПа (3,5 млн атм), плотность около 12,5 т/м³, масса ядра 1,932*10 ²⁴кг.

Плотность. Средняя плотность Земли составляет 5,52 г/см³. Горные породы, слагающие земную кору, отличаются малой плотностью. В осадочных породах плотность около 2,4-2,5 г/см³ , в гранитах и большинстве метаморфических пород - 2,7-2,8 г/см³ , в основных магматических породах - 2,9-3,0 г/см ³. Средняя плотность земной коры принимается около 2,8 г/см³ . Сопоставление средней плотности земной коры с плотностью Земли указывает на то, что во внутренних оболочках - мантии и ядре плотность должна быть значительно выше.

Магнетизм. Земля действует как гигантский магнит с силовым полем вокруг. Сведения о распределении магнитного поля Земли в пространстве дают наземные, морские и аэромагнитные съемки, а также измерения, производимые на низколетящих искусственных спутниках Земли.

Геомагнитное поле дипольное, магнитные полюсы Земли не совпадают с географическими. Между магнитным и географическим полюсами образуется некоторый угол (около 11,5^˚ до 23˚) называемый магнитным склонением.

Магнитное поле Земли оказывает влияние и на ориентировку в горных породах ферромагнитных минералов, таких, как гематит, магнетит, титаномагнетит и др. Особенно это проявляется в магматических горных породах - базальтах, габбро, перидотитах и др. Ферромагнитные минералы в процессе застывания магмы принимают ориентировку существующего в это время направления магнитного поля. После того, когда горные породы полностью застывают, ориентировка этих минералов сохраняется. Определенная ориентировка ферромагнитных минералов происходит и в осадочных породах во время осаждения железистых минеральных частиц.

Тепловой режим Земли определяется излучением Солнца и теплом, выделяемым внутриземными, чаще радиоактивными, источниками. Самое большое количество энергии Земля получает от Солнца, но значительная часть ее отражается обратно в мировое пространство. Количество получаемого и отраженного Землей солнечного тепла неодинаково для различных широт. Среднегодовая температура отдельных пунктов в каждом полушарии уменьшается от экватора к полюсам. Ниже поверхности Земли влияние солнечного тепла резко снижается, в результате чего на небольшой глубине располагается пояс постоянной температуры. Глубина расположения пояса постоянных температур в различных районах колеблется от первых метров до 20-30 м.

Ниже пояса постоянных температур важное значение приобретает внутренняя тепловая энергия Земли. Давно установлено, что в шахтах, рудниках, буровых скважинах происходит постоянное увеличение температуры с глубиной, связанное с тепловым потоком из внутренних частей Земли. Однако исследования, проведенные как на континентах, так и в океанах, показали значительную изменчивость теплового потока в различных структурных зонах.

Температура внутри Земли. Определение температуры в оболочках Земли основывается на различных, часто косвенных данных. Наиболее достоверные температурные данные относятся к самой верхней части земной коры, вскрываемой шахтами и буровыми скважинами до максимальных глубин- 12 км (Кольская скважина). Нарастание температуры в градусах Цельсия на единицу глубины называют геотермическим градиентом, а глубину в метрах, на протяжении которой температура увеличивается на 1⁰ С - геотермической ступенью. Геотермический градиент и геотермическая ступень изменяются от места к месту в зависимости от геологических условий, эндогенной активности в различных районах, а также неоднородной теплопроводности горных пород.

Рассказать дополнительно

Примером тому являются два резко различных градиента: 1) 150^o на 1 км в штате Орегон (США), 2) 6^o на 1 км зарегистрирован в Южной Африке. Соответственно этим геотермическим градиентам изменяется и геотермическая ступень от 6,67 м в первом случае до 167 м - во втором. Наиболее часто встречаемые колебания градиента в пределах 20-50^o, а геотермической ступени -15-45 м. Средний геотермический градиент издавна принимался в 30^oС на 1 км.

Геотермический градиент близ поверхности Земли оценивается в 20^o С на 1 км. Если исходить из этих двух значений геотермического градиента и его неизменности в глубь Земли, то на глубине 100 км должна была бы быть температура 3000 или 2000^o С. Однако это расходится с фактическими данными. Именно на этих глубинах периодически зарождаются магматические очаги, из которых изливается на поверхность лава, имеющая максимальную температуру 1200-1250^o. Учитывая этот своеобразный "термометр", ряд авторов считают, что на глубине 100 км температура не может превышать 1300-1500^oС. При более высоких температурах породы мантии были бы полностью расплавлены, что противоречит свободному прохождению поперечных сейсмических волн. Таким образом, средний геотермический градиент прослеживается лишь до некоторой относительно небольшой глубины от поверхности (20-30 км), а дальше он должен уменьшаться. Но даже и в этом случае в одном и том же месте изменение температуры с глубиной неравномерно. Это можно видеть на примере изменения температуры с глубиной по Кольской скважине, расположенной в пределах устойчивого кристаллического щита платформы. При заложении этой скважины рассчитывали на геотермический градиент 10^o на 1 км и, следовательно, на проектной глубине (15 км) ожидали температуру порядка 150^oС. Однако такой градиент был только до глубины 3 км, а далее он стал увеличиваться в 1,5-2,0 раза. На глубине 7 км температура была 120^o С, на 10 км -180^oС, на 12 км -220^o С. Предполагается, что на проектной глубине температура будет близка к 280^o С. Вторым примером являются данные по скважине, заложенной в Северном Прикаспии, в районе более активного эндогенного режима. В ней на глубине 500 м температура оказалась равной 42,2^o С, на 1500 м-69,9^oС, на 2000 м-80,4^oС, на 3000 м - 108,3^oС.

Рассказать дополнительно

Использовались обычные буровые коронки из твёрдого сплава. Одна коронка служит приблизительно 4 часа, за это время удаётся пробурить 7—10 метров. На спуск и подъём колонны уходит до 18 часов. При этом колонна автоматически разбирается на секции из нескольких труб.

Хотя ожидалось, что будет обнаружена ярко выраженная граница между гранитами и базальтами, в керне по всей глубине обнаруживались только граниты. Однако за счёт высокого давления спрессованные граниты сильно меняли физические и акустические свойства.Как правило, поднятый керн рассыпался от активного газовыделения в шлам, так как не выдерживал резкой смены давлений. Вынуть прочный кусок керна удавалось только при очень медленном подъеме бурового снаряда, когда «излишний» газ, находясь ещё в поджатом до большого давления состоянии, успевал из породы выходить.^[8]Густота трещин на большой глубине, вопреки ожиданиям, увеличивалась. На глубине присутствовала также вода, заполнявшая трещины.Исследователи выделили в скважине 12 уровней, различаемых по физическим свойствам. Более глубокие уровни как правило обладали более высокой изотропией (однородностью). На средних уровнях высокая анизотропия позволила предположить тектоническую активность слоёв. Хотя в процессе исследования получено много ценнейших сведений о земных недрах, результаты были во многом неожиданны, и на их основании не возникло чёткого понимания природы земной мантии и сущности поверхности Мохоровичича.

Средний химический состав Земли. Для суждения о химическом составе Земли привлекаются данные о метеоритах, представляющих собой наиболее вероятные образцы протопланетного материала, из которого сформировались планеты земной группы и астероиды. К настоящему времени хорошо изучено много выпавших на Землю в разные времена и в разных местах метеоритов. По составу выделяют три типа метеоритов: 1) железные, состоящие главным образом из никелистого железа (90-91% Fe), с небольшой примесью фосфора и кобальта; 2) железокаменные (сидеролиты), состоящие из железа и силикатных минералов; 3) каменные, или аэролиты, состоящие главным образом из железисто-магнезиальных силикатов и включений никелистого железа.

Повышенное распространение относится к четырем важнейшим элементам - О, Fe, Si, Mg, составляющим свыше 91%.

Атмосфера- это газовая оболочка, окружающая Землю слоем в 3000км. Она состоит из трех оболочек: тропосферы, стратосферы, ионосферы.

Тропосфера - приземный слой атмосферы, его мощность около 6 км. (у полюсов) и до 15-18 км (у экватора). Она содержит 9/10 всей массы газов атмосферы: азот (75,5 %), кислород (23,3%); аргон (1,28 %), углекислота (0,04 %) и др., а также почти весь водяной пар. С удалением от поверхности земли температура резко понижается и на высоте 10-12 км уже достигает( -50 С˚).В тропосфере происходит образование облаков, и сосредотачиваются тепловые движения воздуха.

На поверхности Земли были отмечены: максимальная температура в Ливии +58 в тени; а минимальная-87°С в Антарктиде.

Стратосфера - следующий за тропосферой слой, распространяется до высоты h=80-90 км. Присутствие озона (О₃) на высоте 30-55км обуславливает повышение температуры до +50 С˚, но на высоте 80-90 км она снова резко понижается до (-60-90 °С).

Ионосфера - верхняя часть атмосферы, переходящая на высоте 3000 км в межпланетное пространство. Ионосфера весьма разрежена, ионизирована, имеет малую плотность. На высоте h=220 км зафиксировано повышение температуры до нескольких сот градусов.

Гидросфера - водная оболочка Земли (океаны, моря, реки, ручьи, озера; материковые льды и др). Гидросфера играет огромную роль в геологических процессах развития Земли. Она не образует сплошного слоя, но покрывает Землю на 70,8%. Средняя мощность-3,8 км; максимальная глубина - более 11 км.

Температура воды в океане меняется не только в зависимости от меридиональной удаленности, широты, но и от глубины океана. Наибольшей изменчивости подвержен слой в 150 м. Была зафиксирована самая высокая температура морской воды в Персидском заливе +35,6 С (Мертвое море), а самая минимальная - в Северном Ледовитом океане-(-2,8 С).

Средняя соленость морской воды 3.5 ‰ или (35г/л). В состав морской соли входят кроме хлоридов (Сl), сульфатов (SO⁴ ); карбонатов (СО²); рубидий (Rb); цезий (Cz), золото (Аu) и др. Рапа в Мертвом море достигает солености – 50 г/л.

В глубинах морей и рек существуют горизонтальные и вертикальные течения. Установлено наличие жизни во всей толще воды.

К бентосу относятся прикрепленные ко дну организмы (донные), к планктону - пассивно плавающие, к нектону - активно плавающее организмы.