учебники / Гаврилов В.П. «‎Общая и историческая геология и геология СССР»

Все звезды Млечного Пути вращаются вокруг центра Га­

лактики. Солнце и вся Солнечная система, двигаясь со скоро­

стью 240 · 103 м/с, совершают один оборот вокруг него за 230 млн лет. Это так называемый галактический гоd.

этому во время обращения вокруг Солнца Земля периодиче­

ски то приближается к нему (точка максимального приближе­ ния называется перигелие.м-147,1 млн км), то удаляется от

него (точка максимального удаления называется афелие.м-

152, 1 млн км). Отношение половины фокального расстояния

к длине большой полуоси характеризует сжатие эллипса и на­

зывается эксцентриситето.м е

е= с/а,

где с- расстояние от центра эллипсоида до одного из фоку­

сов; а- длина большой полуоси эллипсоида (рис. 3).

В настоящее время для Земли е=0,017. Это небольшое сжа­

тие орбиты обусловливает сезонные колебания температуры,

так как в афелии Земля находится на 5 млн км дальше от

Солнца, чем в перигелии. Величина эксцентриситета непосто­

янна и периодически в течение примерно 200 тыс. лет колеб­

лется от 0,0033 до 0,078, в связи с чем земная орбита стано­ вится то более круговой, то более эллипсоидальной, что явля­ ется одной из причин глобального изменения климата планеты.

Движение Земли вокруг Солнца, как и движение других планет Солнечной системы, описывается тремя законами

И. К.еплера (1571-1630 гг.):

1) все планеты вращаются вокруг Солнца по эллипсам,

водном из фокусов которых расположено Солнце;

2)радиусы-векторы планет описывают в одинаковые от­

резки времени равные площади; т. е. чем ближе к Солнцу на­

ходится планета, тем быстрее она движется и, наоборот, чем

носятся между собой как кубы больших полуосей их эллипсов.

Позднее И. Ньютон (1643-1727 гг.) доказал, что такое движение планет должно наблюдаться в том случае, если Солнце притягивает планеты с силой, обратно пропорциональ­

ной квадрату расстояния до планеты. Согласно открытому

И. Ньютоном закону всемирного тяготения, любые две мате­ риальные частицы притягивают друг друга с силой, пропор­

циональной произведению их масс и обратно пропорциональ­ ной квадрату расстояния между ними. И. Ньютон установил

11

Рис. 3. Схема обращеншt

Земли вокруг Солнца.

Уел. обозначения см. в тек­

сте

точную математическую зависимость сил притяжения от массы

тел и расстояния между ними и доказал, что именно эти силы

управляют движением планет и спутников в нашей Солнечной

системе. Законы И. Кеплера оказались следствием закона все­

мирного тяготения.

Наряду с движением вокруг Солнца, Земля вращается во­

круг своей оси, совершая полный оборот за 23 ч 56 мин б с.

Ось вращения образует с плоскостью земной орбиты угол по­ рядка 66°33'. Ориентация оси вращения, а следовательно, и угол наклона со временем меняются. Ось совершает медленное (период 26 тыс. лет) конусаили волчкаобразное вращение

относительно перпендикуляра к плоскости орбиты. Это дви­

жение земной оси называется прецессией. Кроме прецессии для

земной оси характерны незначительные по амплитуде измене­

ния угла наклона с периодом в 18,6 лет, которые получили на­

звание нутаций. Они обусловлены притяжением Солнца и

Луны. Фактически прецессия и нутация происходят одновре­

менно, поэтому земная ось описывает в пространстве довольно

сложные незамкнутые линии, похожие на окружность.

§ 2. ФИЗИЧЕСI(ИЕ СВОЯСТВА ЗЕМЛИ

(ФОРМА, РАЗМЕРЫ, МАССА, ПЛОТНОСТЬ И Т. Д.)

Предположение о шарообразной форме Зе.м.ли высказывалось

еще древнегреческим ученым Пифагором (б в. до н. э.).

В XVIII в. И. Ньютон на основе расчетов доказал, что силы.

вращения придают Земле сплюснутость у полюсов. В настоя­

щее время установлено, что полярный радиус меньше эквато­

риального на 21,38 км (:Rп=6356,78 км, Re=6378,16 км). По­ этому фигура Земли скорее похожа на эллипсоид вращения

относительно малой оси, чем на шар. Такой эллипсоид получил

название сфероида. Для земного эллипсоида (референц-эллип­

соид) сжатие у полюсов a.u, определенное с помощью искус­

ственных спутников Земли, оказалось равным 1/298,258. Более

точные измерения фигуры Земли показали, что она сплюснута

не только у полюсов, но н у экватора. Экваториальное сжатие

а.е составляет 1/30 000; разница между большой и малой полу­

осями экваториального эллипса 213 м. Из этого следует, что

12

ность, совпадающая на

океанах с неваэмущенной

ветрами и течениями по­ верхностью воды, а на суше- с уровнем воды

недрах: при дефиците масс происходит опускание nоверх­

ности геоида относительно поверхности сфероида, при из­

быткеее подъем, т. е. другими словами высоты геоида

прямо пропорциональны амплитудам гравитационных анома­

лий. Эти отклонения от поверхности сфероида колеблются от 50

до 150 м.

Площадь земного геоида составляет 510,2 млн км2, объем-

Масса Земли определяется исходя из второго закона

И. Ньютона, согласно которому силу тяжести на поверхности

Земли F можно вЫразить как

F=mg,

где т -масса притягиваемого тела; g - ускорение свободного

падения.

13

Полагая, что масса т притягивается Землей, представлен­

ной точечной массой М, на основании закона всемирного тяго­

тения получим:

F=f m·M '

R2

где {-гравитационная постоянная, равная 6,67 ·10-11 Н· м2/кг2 ;

R- расстояние между Землей и телом массой т.

Приравняв правые части этих уравнений и сделав некоторые

преобразования, получим формулу для расчета массы Земли:

M=-~-gR2. f

После подстановки в формулу соответствующих значений f, g

и R получим ма~су Земли, равную 5,98 · 1024 кг.

Зная объем земного rеоИД.а, можно определить среднюю

плотность вещества нашей планеты О"ср

5,517 · 103 кг/м3. Учитывая, что плотность известных нам горных

пород, определенная прямыми методами, изменяется в пределах

1,6-3,2. 103 кг/м3, можно предположить, что вещество в глубо­

ких недрах планеты существенно более плотное по сравнению со средней цифрой. Действительно, при изучении землетрясе­ ний установлено, что плотность земного вещества с глубиной

увеличивается, так как возрастает скорость прохождения

в земном веществе упругих волн. Однако рост плотности про­ исходит не пропорционально росту глубины. Плотность меня­ ется скачкообразно. Наиболее существенные скачки плотности отмечаются на следующих глубинах: 33 км (в среднем), 410, 1000, 2900 и 5200. В соответствии с этим выделяют: земную

кору, верхнюю, среднюю и нижнюю мантии, внешнее и вну­

С глубиной возрастают и другие физические параметры Земли, прежде всего давление и температура. Например, горное

давление в подошве земной коры·- 1,3 · 103 МПа, на границе

14

V,км/с

14

8

4~~---+~~~~~~~~~~~~---+44

Н, ri.M

Рис. 5. Геосферы Земли.

зывает фронт ударной волны ядерного взрыва.

6. 103 к.

§ 3. ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ ЗЕМЛИ

Под геофизическими полями Земли понимают естественные поля, создаваемые этой планетой. К ним относят гравитаци­

онное, магнитное, электрическое и тепловое поля.

Гравитационное поле или поле силы тяжести на поверхно­

сти Земли складывается в основном из двух силпритяже­

ния и центробежной. Центробежная сила на полюсах отсут­

ствует, поэтому тела с одинаковой массой на полюсе весят больwе, чем на экваторе.

15

Закон распределения силы тяжести g на поверхности Земли

был выведен в XVIII в. французским математиком А. К. К.леро:

где g3 , gn- ускорение силы тяжести соответственно на экваторе

ина полюсе; 'Ф- географическая широта.

Внастоящее время пользуются следующей международной

формулой нормального распределения силы тяжести

g= 978,049 (1 +0,0052884 sin2 \j)--0,0000059 sin2 2~).

В соответствии с этой формулой на полюсах g=9,83 м/с2, а на экваторе g=9,78 м/с2• Однако эти расчетные значения

ускорения силы тяжести отличаются от истинных в результате

искажающего влияния высоты местности, масс, заключенных

между уровнем измерения и уровнем моря, а также рельефа.

Поправки, которые вносятся в измеренное поле силы тяжести,

называются редукцией Буге. Они позволяют сравнивать между

собой результаты измерений в разных условиях. Отклонение фактических данных измерения ускорения силы тяжести от тео­ ретических значений, рассчитанных для поверхности референц­

эллипсоида, получило название гравитационных аномалий.

А1агнитное поле Земли практически совпадает с полем эле­

ментарного бесконечно малого стержнеобразного магнита (ди­ поля), смещенного на 430 км от центра Земли в сторону Ти­

хого океана и наклоненного к ее оси вращения на 11°26'. Ось

диполя пересекает поверхность Земли таким образом, что с~

верный его конец проектируется в точку, расположенную

вблизи южного географического полюса к западу от моря

Росса и имеющую координаты 68° ю. ш. и 145° в. д., а южный­

в точку вблизи северного географического полюса к северо-за­ паду от Гудзонова залива с координатами 74° с. ш. и 100° в. д. Поэтому северный конец магнитной стрелки всегда указывает приблизительно на географический север, а южный - на гео­

графический юг. В связи с этим северный магнитный полюс,

на который ориентирует северный конец магнитной стрелки,

помещают на север около географического севера, а южный магнитный полюс соответственно на юг около географического

юга.

К элементам магнитного поля Земли относятся: магнитное

склонение D, магнитное наклонение /, напряженность магнит­

ного поля Z и горизонтальная составляющая Н (рис. 6).

Магнитное склонениеэто угол между астрономическим (географическим) А и магнитным А1 меридианами.

Астрономический меридианэто направление, определяю­

щее истинное положение .линщ-1 северюг в данном месте.

J6

Магнитный меридианвообра­

жаемая линия, совпадающая с на­

правлением земного магнитного

поля. Направление стрелки ком­

паса в каждой точке Земли совпа­

дает с магнитным М:еридианом.

Магнитное наклонение 1 - это

угол между горизонтальной пло­

скостью и направлением напря­ женности магнитного поля, т. е.

tg l=Z/H.

Поскольку магнитное поле век­

торноеJ, его интенсивность характе­ ризуется не только напряженно­

стью, но и положением вектора

напряженности Т в пространстве.

Во внешнем поле вектор направ-

лен по каса'Jiе.льной к магнитной Рис. б. Геомагнитные элемен-

силовой линии, а в вертикальной ты

плоскости может быть разложен

на горизонтальную Н и вертикальную Z составляющие, т. е.

Распределение интенсивности геомагнитного поля изобра­

жается на картах изодинам (изодинамы-линии равных зна­

чений полной напряженности), картах изогон (изогоныли­ нии равных углов магнитного склонения), картах изоклин (изо­ клинылинии равных углов магнитного наклонения).

Изодинама максимальной напряженности называется дина­ мическим экватором. Находится она вблизи географического

экватора. В пределах динамического экватора вертикальная со­

ставляющая геомагнитного поля равна нулю. Нулевая изо­

клина называется магнитным. экватором, а нулевая изогона -

магнитным. меридианом..

Геомагнитное поле характеризуется изменчивостью во вре­ мени. Оно может быть двух типов: периодическое и непериоди­ ческое. Периодические изменения параметров магнитного поля Земли nроисходят в течение сутокэто так называемые су­ точные вариации. Они обусловлены суточными изменениями положения Земли относительно Солнца. Кроме суточных вы­

деляют вековые вариацииплавные изменения геомагнитного

поля. Аномалии магнитного поля плавно перемещаются на за­

пад в широтном направлении. Это явление получило название

западного дрейфа. Его скорость около 0,18° в год. Наблюдае­

мое перемещение аномалий магнитного поля совершает пол­ f!ЬIЙ оборот вокруг Земли nримернQ эа 1800 лет,

17

--~----

Магнитсссрера

Рис. 7. Магнитосфера Земли.

Штриховкой выделены радиационные пояса

Непериодические изменения получили название магнитных бурь, представляющих собой следствие вспышек солнечной ак­

тивности и сопровождающихся полярными сияниями, ухуд­

шением или прекращением коротковолновой радиосвязи. Счи­ тается, что магнитные бури обусловлены взаимодействием кор­ пускулярного излучения Солнца. с магнитным полем Земли.

Установлено, что на расстоянии 100-200 тыс. км от нашей

планеты магнитное поле ослабевает и становится соразмерным

с космическим магнитным полем. Эта граница называется магнитопаузой, а ограничивающее ею пространствомагнито­ сферой. Корпускулярное излучение Солнцасолнечный ве­ терсоздает космическое магнитное поле. Вспышки солнеч­ ной активности усиливают интенсивность солнечного 'ветра, при

встрече которого с магнитосферой возникает удар!Jая волна,

деформирующая магнитные силовые линии Земли. В резуль­

никновение магнитных бурь.

Магнитное поле Земли существенно влияет и на электриче­

ские заряженные частицы. Поскольку дипольный характер гео­

магнитного поля создает замкнутые силовые линии поля, то

попавшие в него электрически заряженные частицы (протоны,

электроны, ионы и др.) оказываются в своеобразной магнитной

ловушке. Частицы под влиянием магнитного поля совершают

спиралевидные движения вдоль силовых JIИHJfЙ и задержива-

J8

lотсй 13 этом магнитном поле. Многочисленные заряженные

частицы образовали вокруг Земли гигантские зонырадиаци­ оняые пояса (пояса космической радиации или зоны Ван-Ал­

лена) -внутренние области планетных магнитосфер, в кото­ рых собственное магнитное поле планеты удерживает заря­ женные частицы. Выделяют четыре пояса: внутренний пояс (протонный); пояс протонов малых энергий; внешний (элек­ тронный) пояс; зону квазизахвата частиц солнечного ветра.

С существованием магнитного поля Земли связывают еще

одно интересное явление в геологии, получившее название па­

лео.магнетизма. Установлено, что магматические и некоторые осадочные породы, содержащие ферромагнетики (минералы, в которых присутствуют Fe, Ni, Со), намагничиваются в период своего формирования под действием магнитного поля Земли и сохраняют приобретенную намагниченность в последующие эпохи. У магматических пород это происходит при застывании жидкой фазы, когда небольшие блоки вещества (домены) ори­

ентируются вдоль силовых линий. При застывании породы

ферромагнетики становятся постоянными магнитами. У оса­ дочных пород эффект палеомагнетизма обусловлен тем, что продукты разрушения более древних пород, содержащие фер­

ромагнетики, осаждаются в водной среде, так же ориентируясь вдоль силовых линий существовавшего геомагнитного поля.

Следовательно, практически любая порода обладает остаточ­

ной намагниченностью, которую можно определить как угол между горизонтальной плоскостью и направлением вектора на­

пряженности магнитного поля прошедшей геологической эпохи,

т. е. остаточное магнитное наклонение !ост· Связь этой вели­

чины с палеомагнитной широтой <pm определяется по формуле:

1

tg IJ>т = - tg /ост•

2

Изучение палеомагнитного поля Земли позволило сделать

очень важные выводы. Во-первых, геомагнитное поле сущест­ вует, по крайней мере, 600 млн лет. Во-вторых, положение маг­

нитных полюсов в минувшие геологические эпохи не соответ­

ствовало современному. Перемещение полюсов во времени и

пространстве получило название .миграции .магнитных полю­

смена полярности, т. е. инверсия полюсов. За последние 5 млн лет установлено около 20 инверсий геомагнитного поля. Про­

цесс инверсии протекает сравнительно быстроза несколько тысяч лет, а интервалы существования прямой и обратной по­

лярностей имеют продолжительность от 1 до 50 млн лет. Б на­

стоящее время установлено, что инверсия магнитного поля

существовала уже 570 млн лет назад. Высказано предположе-

19

ние, что с инверсией геомагнитного поля уменьшается магнит­ ный момент земного диполя. В частности, за последние

2,5 млн лет напряженность поля снизилась почти в 2 раза. Основной причиной возникновения геомагнитного поля в на­

стоящее время считают движение вещества в земном ядре, ко­ торое приводит к возникновению электрических токов, индуци­

рующих магнитное поле.

Электрическое nоле Земли тесно связано с процессами

вмагнитосфере. Элементарные частицы ионосферы обладают,

восновном, положительными зарядами, а литосферы Земли­

отрицательными. В связи с этим перемещение заряженных ча­

стиц в ионосфере индуцирует возникновение электрических

токов в твердой оболочке нашей планеты. Возникает своеоб­

разный конденсатор: ионосфера обладает положительным заря­

дом, а литосфераотрицательным. Изолятором служат плот­ ные слои атмосферы. Величина заряда природного конденса­ тора в нижних слоях атмосферы достигает 100 В, а в период

грозызначительно выше.

Всплески солнечной активности придают переменвый харак­ тер электрическому полю. При этом в атмосфере Земли на вы­ соте 100-300 км возникают области неоднородной ионизации,

которые высотными ветрами перемещаются в пространстве.

Это создает переменвые электромагнитные поля в атмо- и ли­

тосфере. В последней возникают естественные электрические

токи, получившие название теллурических. Электроды, вко­

панные в грунт и соединенные с амперметром, фиксируют тел­

лурические токи силой до 100 мА, а в периоды возмущения

электрических полей до 2,5 А. Средняя плотность теллурических токов 2 · 1Q-8 А/м2.

В литосфере распространены также постоянные и перемен­

ные электрические поля, образованные циркуляцией минерали­

зованных подземных вод, электрохимическими процессами

и т. д. Изменение электрического поля используется для изу­ чения глубинного строения Земли, поскольку все горные по­

роды обладают удельным электрическим сопротивлением и удельной электропроводностью. Эти величины обратны друг

другу.

Тепловое поле Зе.мливажный показатель ее внутренних

свойств. Оно зависит от внешних (поверхностных) и внутрен­

них (глубинных) факторов.

Внешняя теплота Земли, прежде всего, зависит от излуче­ ния Солнца. UB течение 1 мин на 1 см2 земной поверхности, ори­

ентированнон перпендикулярно солнечным лучам, попадает

8,173 Дж тепла. Это так называемая солнечная постоянная.

Всего же за год на 1 см2 земной поверхности приходится

в среднем 703,38 · 103 Дж тепла, из которых 234,46. 10З Дж по­

глощается атмосферой, а остальное тепло достигает поверх-

20