5.2 Особенности внутреннего строения Земли
Земля обладает магнитным полем и тесно связанным электрическим полем.
Геомагнетизм исследует магнитное поле Земли (его источники и изменения на протяжении геологической истории Земли), а также магнитные свойства горных пород. Принято считать, что магнитное поле Земли обусловлено электрическими токами в жидком внешнем ядре, его напряженность изменяется с периодичностью от 100 до 10 000 лет, а полярность подвержена обращениям (инверсиям). Измерения интенсивности и направления намагниченности горных пород позволяют изучать происхождение и изменения во времени геомагнитного поля и служат ключевой информацией для развития теории тектоники плит и дрейфа материков.
Земной магнетизм, магнитное поле Земли, существование которого обусловлено действием постоянных источников, расположенных внутри Земли и создающих основную компоненту поля (~ 99%), а также переменных источников (электрических токов) в магнитосфере и ионосфере. Гипотеза, объясняющая происхождение магнитного поля Земли называется гидромагнитное динамо. Движение вещества в электропроводящем жидком ядре Земли приводит к возбуждению магнитного поля, аналогично тому, как происходит генерация тока в магнитном поле генератора (динамо-машине). Движение электропроводящих сред таких как жидкие металлы, электролиты и плазмы в магнитном поле объясняет магнитная гидродинамика. Теоретической основой магнитной гидродинамики являются уравнения гидродинамики с учётом электрических токов и магнитных полей в среде и уравнения Максвелла*.
* Максвелл Джеймс Клерк (1831 – 1879), английский физик, создатель классической электродинамики.
В средах с большой проводимостью и большими размерами к обычному газодинамическому давлению добавляется магнитное давление и магнитное натяжение, которое приводит к появлению волн Альфвена. Магнитная гидродинамика объясняет многие явления космической физики: земной и солнечный магнетизм, происхождение магнитных полей в Галактике, хромосферные вспышки на Солнце, магнитные бури и др.
Гравиметрия занимается изучением гравитационного поля Земли. Локальные вариации этого поля, связанные с плотностными неоднородностями в пределах земной коры, используются для определения положения рудных тел. Полагают, что рельеф земной поверхности и плотностные изменения внутри земной коры с глубиной взаимно компенсируются, поэтому удовлетворительная корреляция между гравитационными аномалиями протяженностью 100 -1000 км и рельефом не наблюдается.
Гравитационное поле Земли обуславливает сферическую форму Земли и существование атмосферы. По современным космогоническим* представлениям Земля образовалась около 4,0 млрд. лет назад из рассеянного в протосолнечной системе газово-пылевого вещества.
* Космогония – раздел астрономии, изучающий происхождение и развитие космических тел и их систем.
В результате дифференциации вещества Земли, под действием её гравитационного поля в условиях разогрева земных недр возникли и развились различные по химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам оболочки – геосферы: ядро (в центре), мантия, земная кора, гидросфера, атмосфера, магнитосфера.
В составе Земли преобладают:
- железо 34,6%;
- кислород 29,5%;
- кремний 15,2%;
- магний 12,7%.
Земная кора, мантия и внутренняя часть ядра твёрдые, а внешняя часть ядра считается жидкой. Земная кора от поверхности Земли залегает до глубины 70 км, верхняя мантия до глубины 900 км, а нижняя до 2900 км, внешнее ядро и переходная зона до глубины 5000 км, внутреннее ядро достигает глубины 6370 км (рисунок 5.2).
От поверхности Земли к центру возрастают давление, плотность и температура:
- давление в центре Земли 3,6 × 1011 Па;
- плотность ок. 12,5 × 103 кг/м3;
- температура достигает 4 000 – 5 000ºС.
Основные типы земной коры – материковый (континентальный) и океанический, в переходной зоне от материка к океану развита кора промежуточного строения.
Материковая кора состоит, главным образом, из гранитов, а океаническая кора состоит из базальтовых пород. Возраст океанической коры не превышает 200 млн. лет, а материковой около 3 млрд. лет. В целом состав океанической коры представляют кремний и оксиды магния, из-за чего геологи её называют сима.
Рисунок 5.2 - Строение Земли
Материковая кора состоит из большого количества магматических и осадочных пород. Из-за преобладания кремния и оксидов алюминия, её называют сиал.