книги из ГПНТБ / Борголов И.Б. Геология с основами минералогии и петрографии учеб. пособие для студентов с.-х. вузов, обучающихся по специальности агрономия, агрохимия и почвоведение

Амбарцумяном. По гипотезе Фесенкова Солнце и планеты произошли вследствие единого процесса эволюции сгустка газово-пылевой туманности, имеющего вид сильно сплюсну­ того дискообразного облака. Вначале из этого сгустка воз­ никло Солнце, имевшее значительно большую массу и об­ ладавшее более быстрым вращением, чем теперь. Вследствие быстрого вращения в экваториальной плоскости Солнца про­ изошло отделение вещества, которое вращалось в том же направлении. Первоначальная неравномерность распределе­ ния плотности в экваториальном облаке возрастала вслед­ ствие продолжавшихся выбросов материи из центрального сгущения. В участках с малой плотностью происходило рас­ сеивание вещества в пространство, в то время как в участках более плотных возникали сгущения с последующим образо­ ванием из них планет и их спутников. Выброс вещества из Солнца неизбежно должен был вызвать замедление его дви­ жения, чем и объясняется по гипотезе Фесенкова наблюдаю­ щееся в настоящее время несоответствие в распределении момента количества движения в Солнечной системе. Обрат­ ное движение некоторых спутников Юпитера и Сатурна и не­ которые другие особенности движения спутников Урана и Марса автор данной гипотезы объясняет тем, что они пред­ ставляют собой крупные астероиды, захваченные притяжени­

ем планет.

Весьма примечательно то, что взгляды Фесенкова в наши дни находят подтверждение в новейших экспериментальнотеоретических исследованиях советских ученых, которые проводятся в нашей стране в соответствии с программой ос­ воения космического пространства. Так, профессор Г. Войткевич в статье «Рождение Земли» («Наука и жизнь» 1971, № 4) указывает, что... «Анализы свидетельствуют о том, что материал, из которого образовались планеты Солнечной сис­ темы, был выброшен непосредственно самим Солнцем, а не был захвачен из других областей Галактики». По его мне­ нию, различия в составе планет и метеоритов являются ре­ зультатом последующей дифференциации и фракционирова­ ния первично однородного солнечного вещества.

Кроме того, большой заслугой Фесенкова является анализ роли атомных реакций, которые происходят на Солнце и на Земле. Нам известно, что за счет этих реакций возможен

разогрев отдельных участков Земли.

Как и всякая гипотеза Фесенкова имеет слабые стороны, которые вызывают возражения. Но в ней намечены основ­

20

ные пути для разработки и углубления наших представлений по этому сложному вопросу.

§2. ФОРМА, ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ИХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЗЕМЛИ

Форма и величина Земли. Первое научное представление о форме Земли как шаре возникло еще у философов древне­ го мира благодаря чисто умозрительным рассуждениям. В дальнейшем представление о шарообразной форме Земли сменилось эллипсоидальной ее формой. Первым бесспорным доказательством эллипсоидальной формы Земли явились градусные измерения. Наиболее точные и многочисленные измерения такого рода были произведены в нашей стране. Так, по данным Ф. Н. Красовского, А. А. Изотова и других советских ученых, Земля имеет форму трехосного эллипсоида вращения, малая ось которого является осью вращения. Дли­ на ее экваториального радиуса равна 6378,2 км, а полярно­ го — 6356,9 км. Таким образом, экваториальный радиус длиннее полярного на 21,3 км. Сжатие Земли равно 1/298,3.

Площадь поверхности Земли составляет 510,1 млн км2, а ее объем — 1 083 204 млн км3.

Трехосный эллипсоид вращения довольно точно отражает фигуру Земли. Однако наличие на поверхности Земли боль­ ших неровностей в виде высочайших гор, высотой до 9 км, и океанических впадин глубиной до 11,5 км послужило при­ чиной ее настоящего названия — геоида.

Масса и плотность Земли. Учение о форме Земли разви­ валось параллельно с определением ее массы и плотности. Вначале методы определения массы Земли были весьма несовершенными. В дальнейшем, по мере развития науки и техники, они стали более совершенными и точными. Опре­ деленная современными точными методами масса Земли оказалась равной 5,98-1027 г. Зная объем и массу Земли, нетрудно определить ее среднюю плотность. Так, по данным

образом, плотность Земли близка к средней плотности Мар­ са, Венеры и Меркурия.

21

известняков — 2,4—2,8; доломитов около — 2,9 и т. д. Таким образом, приведенные цифры показывают, что средние плот­ ности горных пород, слагающих земную кору, значительно меньше средней плотности Земли. Это значит, что недра Земли сложены веществами, плотность которых значительно

выше 5,52 г/см3.

Гравитационные и магнитные поля Земли. Сила тяжести,

которая обусловливает вес тел, всегда направлена перпен­ дикулярно к поверхности Земли и обратно пропорциональна квадрату расстояния от центра притяжения.

Известно, что сила притяжения Земли достигает наи­ большего значения в высоких широтах и является менее значительной у ее экватора. Поэтому теоретически напряже­ ние силы тяжести должно убывать по направлению от по­ люсов к экватору. Однако фактическое распределение силы тяжести на континентах и в пределах океанов неодинаково на любой широте; ее напряжение выше над океанами, чем

на континентах.

Кроме того, на континентах на фоне равномерного убы­ вания силы тяжести от полюсов к экватору наблюдаются участки с положительными и отрицательными гравитацион­ ными аномалиями. Например, положительные аномалии си­ лы тяжести свидетельствуют о залегании на глубине более плотных масс различных рудных полезных ископаемых. От­ рицательные аномалии связаны с залеганием менее плотных масс, например, каменной соли, с которой частично ассо­ циируются, кроме того, нефть и горючие газы.

Кроме гравитационного поля, Земля обладает еще и маг­ нитным полем, которое обусловлено тем, что она представ­

Магнетизм Земли характеризуется магнитным склонением и магнитным наклонением. Магнитное склонение — это угол отклонения магнитной стрелки от географического меридиа­ на данного участка Земли. Оно может быть восточным или западным. Таким образом, магнитный меридиан не совпа­ дает с географическим, также как магнитные полюсы не совпадают с географическими. Причину такого несовпадения

22

объясняют неравномерным распределением суши и воды на поверхности Земли.

Магнитным наклонением называется угол наклона маг­ нитной стрелки к горизонту; в северном полушарии к гори­ зонту наклоняется северный конец стрелки, а в южном по­ лушарии — южный. Величина наклонения в общем увели­ чивается от экватора к полюсам, достигая максимума у магнитных полюсов, где стрелка стоит вертикально.

Линии, соединяющие на карте одинаковые склонения, на­ зываются изогонами, а точки равного наклонения — изокли­

нами.

В некоторых местах земной поверхности направление изогон и изоклин испытывает определенные изменения, ко­ торые связаны с существованием магнитных аномалий. Пос­ ледние нередко бывают обусловлены залеганием в недрах Земли больших масс железистых горных пород, как, напри­ мер, Курская магнитная аномалия. Известно, что железные руды здесь создают напряженность в 5 раз большую средней напряженности магнитного поля Земли. Магнитные анома­ лии могут быть вызваны также и сильными смещениями — разрывами в земной коре, в связи с соприкосновением пород с различной магнитной характеристикой.

Необходимо отметить, что все элементы земного магне­ тизма для данной точки Земли не представляют собой по­ стоянной величины. Они испытывают периодические изме­ нения различной длительности: суточные, годовые и более длительные. Вместе с тем сеть линий магнитного поля Зем­ ли подвержена изменениям и более короткого периода. Это так называемые магнитные бури. Изучение магнитных бурь показало, что они либо сопровождают вулканические извер­ жения, либо наступают при прохождении грозы. Замечена также связь магнитных бурь с землетрясениями. Сильнейшие магнитные бури разыгрываются часто на поверхности Земли в период мощных вспышек на Солнце.

Тепловые свойства Земли. Температурный режим Земли у ее поверхности определяется двумя основными источника­ ми: теплом, получаемым от Солнца, и собственным теплом планеты, достигающим поверхности от разогретых недр. Солнечный нагрев Земли составляет 99,5% от всей суммы тепла, получаемого ее поверхностью, а на долю внутреннего нагревания падает всего 0,5%.

Несмотря на такую большую роль Солнца в жизни по­ верхности Земли, влияние его обогрева на развитие внутрен­ них частей планеты крайне незначительно. Прогрев солнеч­

23

ными лучами распространяется за год вглубь Земли самое большее на 8—30 м. Ниже этой границы располагается пояс постоянной температуры, которая соответствует средней го­ довой температуре данной местности. Вместе с тем необхо­ димо отметить, что обширные участки земной коры харак­ теризуются многолетнемерзлыми породами, с отрицательной среднегодовой температурой. В пределах таких участков положительные температуры устанавливаются только на глубинах 250—500 м. Далее наблюдается постепенное уве­ личение температуры с глубиной в среднем на 3° на каждые

100 м.

Изменение температуры в градусах на единицу длины называется геотермическим градиентом. Глубина в метрах, на протяжении которой температура повышается на ГС, на­ зывается геотермической ступенью.

Выборочно конкретные величины значения геотермиче­ ской ступени следующие (в м): Архангельск'—10; Ленин­ град—19,6; Баку (Сураханы)—26; Якутск—26; Донбасс (среднее)—33; Харьков—37,7; Москва—38,4.

Приведенные цифры приближаются к среднему значе­ нию геотермической ступени Земли, равной 33 м. Следует отметить, что существуют значительные отклонения в обе стороны от этого среднего значения, изменяясь от 1,5 м в районе г. Пятигорска до 111 м в районе Иоганнесбурга (Ю. Африка).

Используя данные о величине геотермической ступени, можно сделать некоторые предположения о температурных условиях глубоких зон Земли. Если принять среднюю вели­ чину геотермической ступени, равной 33 м, и допустить рав­ номерное увеличение температуры с глубиной, то на глу­ бине 100 км она должна составлять 3000°С. Такая темпера­ тура уже превышает точку плавления всех известных на Земле веществ. Следовательно, на глубине порядка 100 км под толщей литосферы должны располагаться расплавлен­ ные массы. Однако следует учесть, что с глубиной в земной коре увеличивается давление вышележащих горных пород,

ми твердого тела.

Весьма трудным и пока дискуссионным вопросом явля­ ется причина возникновения высокой температуры в недрах Земли.

В соответствии с одной из точек зрения, которая основана на гипотезе Лапласа, Земля обладала собственным теплом,

24

так как она, как и все другие члены Солнечной системы,

произошла из раскаленной газовой массы, оторвавшейся от Солнца.

Согласно второй гипотезе, источником тепла являются радиоактивные элементы (уран, торий и др.), заключенные в горных породах. Выделяемое в результате радиоактивного распада тепло может не только нагреть, но даже и распла­ вить горные породы.

Радиоактивность Земли. Радиоактивность — это самопро­ извольный распад неустойчивых изотопов таких радиоактив­ ных элементов, как уран-238, уран-235, торий-232 и калий-40, сопровождающийся выделением тепловой энергии. Так, на­ пример, 1 г урана-238 выделяет в год 0,71 калорий тепла, а 1 г урана-235 — 43 калории.

Наиболее радиоактивной является верхняя алюмосили­ катная кора Земли, в то время как ее мантия в значительно меньшей степени радиоактивна. В современную эпоху ра­ диоактивность выступает как мощный энергетический фак­ тор, способный повышать температуру глубоких недр Земли.

Однако в прошлом радиоактивность Земли была более высокой, чем в настоящее время. Так, например, считают, что 4,5 млрд, лет назад на Земле урана-238 было больше в 2 раза и соответственно он излучал энергии в 2 раза больше, чем сейчас. Уран-235 в то время выделял тепла в 100 раа больше, а калий-40 — в 12 раз. Радиоактивность молодой Земли могла быть связана еще с присутствием относительно недолговечных, так называемых трансурановых изотопов плутония-244 и кюрия-247 с периодом полураспада от де­ сятков до сотен миллионов лет. Таким образом, радиоактив­ ность в прошлом была более мощным источником внутрен­ него нагрева Земли, чем в современную эпоху.

Химический состав Земли. Непосредственно мы можем изучить химический состав только поверхностных частей земной коры, которые доступны исследованию (15—20 км). Суждения о химическом составе более глубоких зон Земли опираются «а косвенные данные, представляемые сейсмоло­

25

Т а б л и ц а 1

Химический состав различных горных пород (по А. П. Виноградову)

(в весовых процентах)

кие элементы, как кислород, кремний, алюминий, железо,

можно судить по изменению плотности и упругих свойств среды, фиксируемых сейсмическими волнами. Не вызывает

#сэмнения, что в связи с увеличением плотности с глубиной в составе вещества Земли возрастает роль тяжелых элементов, таких, как железо, маший, хром, никель, кобальт.

Изучение состава метеоритов, которые, как предполага­ ют, являются обломками некогда существовавших планет, подтверждает такое мнение и указывает на резкое увеличе­ ние в недрах Земли содержания железа (до 28,6%) при

Тело Земли имеет концентрически-зональное строение, з центре которого расположено ядро. Вокруг ядра размеща­ ются концентрические оболочки, или геосферы, плотность которых скачкообразно увеличивается от поверхности Земли

26

Внешние сферы Земли

Детальное изучение внешних сфер Земли является со­

оболочки оказывают весьма разнообразное влияние на ход геологических процессов.

Атмосфера. Она представляет собой самую верхнюю воз­ душную оболочку Земли, которая охватывает ее сплошным покровом. Нижней границей атмосферы является поверх­ ность Земли, а верхняя граница отчетливо не установлена, вследствие ее постепенного перехода в космическое прост­ ранство. Существование отдельных ионов воздуха устанав­ ливается на высоте около 2000 км от поверхности Земли. Однако 90% всей массы атмосферы заключено в нижних слоях Земли до высоты 15 км от ее поверхности. Атмосфера состоит из смеси различных газов с резким преобладанием среди них азота (78,09%) и кислорода (20,95%). Кроме них присутствуют инертные газы: аргон, ксенон, неон, криптон, а также водород, углекислый газ, озон, метан, гелий, на долю которых в совокупности приходится менее 1%. Кроме того, в нижних слоях атмосферы содержится водяной пар, частицы вулканической, эоловой и космической пыли.

По современным представлениям, в атмосфере выделяют следующие пять основных слоев, или сфер: тропосферу, стратосферу, мезосферу, ионосферу и экзосферу. Для геоло­ гии наибольший интерес представляет самая нижняя ее сфера— тропосфера, непосредственно соприкасающаяся с земной поверхностью и поэтому оказывающая на нее весьма существенное влияние.

В отличие от других оболочек атмосферы тропосфера ха­ рактеризуется большей плотностью, постоянным присутст­ вием водяного пара, углекислоты и пыли. Для нее также характерно постепенное понижение температуры с высотой и существование в ней вертикальной и горизонтальной цир­ куляции воздуха.

Температурный режим тропосферы обусловлен теплом, получаемым ею от нагретой поверхности Земли. С высотой температура в атмосфере снижается в среднем на 0,5—0,6° на каждые 100 м. На высоте 10—12 км в среднем она равна

—55°С.

Гидросфера. Она включает все воды морей и океанов,

27

рек, озер, а также материковые льды Арктики и Антаркти­ ды С водами гидросферы тесно связаны и подземные воды. Но тем не менее она, в отличие от других геосфер, не обра­ зует сплошной водной оболочки вокруг Земли. Гидросфера

ской впадины. Химический состав гидросферы характеризу­ ется преобладанием двух элементов, кислорода и водорода, на долю которых приходится 96,69%, а на остальные элемен­ ты падает всего лишь 3,31%. Но тем не менее, в водах морей и океанов растворено огромное количество различных солей, характеризующееся цифрой около 22 млн кмъ. В составе этих солей преобладают главным образом натрий и хлор, на долю которых приходится 3%. Таким образом, в составе гидросферы преобладают четыре элемента: кислород, водо­ род, натрий и хлор, в совокупности составляющие 99,69% ее состава. Но, вместе с тем, следует учесть, что гидросфера находится в тесном взаимодействии с другими геосферами Земли, поэтому в ее водах можно встретить в незначитель­ ных концентрациях все без исключения элементы периоди­ ческой системы.

Биосфера. Под биосферой понимают область распростра­ нения жизни на Земле. В таком понимании она представ­ ляет собой тончайшую пленку толщиной 0,002—0,004 земно­ го радиуса, не занимающую обособленного пространства, но

втой или иной мере проникающую в атмосферу, гидросферу

иповерхностные слои земной коры. Биосфера играет боль­ шую роль в эволюции Земли, участвуя как в создании гор­ ных пород, так и в процессах их разрушения. Она также влияет на эволюцию атмо- и гидросферы. Основоположник

биогеохимии В. И. Вернадский, изучая биосферу и ее роль в перемещении, концентрации и рассеянии химических эле­ ментов в земной коре, пришел к выводу, что на земной по­ верхности нет химической силы, более постоянно действую­ щей и более могущественной по своим конечным результа­ там, чем живые организмы, взятые в целом.

Границы распространения биосферы непостоянны и точно не установлены. Так, считают, что жизнь в атмосфере рас­ пространяется до высоты 8—10 км. Наиболее глубоко живое веществе проникает в гидросферу, которая практически вся заселена живыми организмами. Гидросферу часто называют «колыбелью жизни», предполагая, что именно в водной сре­ де произошло зарождение жизни.

28

Многие микроорганизмы могут существовать при боль­ ших давлениях и высокой температуре. Так, например, споры некоторых микробов могут существовать при температуре + 180° и давлении до 3000 атм., а дрожжи выносят давление до 8000 атм. Это позволяет считать, что жизнь проникает на весьма большие глубины, сотни и более метров. В. И. Вер­ надский считает, что биосфера проникает вглубь Земли до 3—4 км, считая от уровня геоида. По подсчетам Вернадского, уточненным впоследствии А. П. Виноградовым, общая масса живого вещества равна приблизительно ІО12 т, что составля­ ет не более 1/100 000 доли процента от веса земной коры. Но благодаря необыкновенной активности живых организмов, их роль в эволюции Земли чрезвычайно велика и вполне

500 000 видов растений и свыше одного миллиона видов жи­ вотных. Колоссальное количество микроорганизмов населяет все сферы Земли. Своей жизнедеятельностью организмы соз­ дают новые горные породы и минералы. Так, например, био­ химическим путем возникли многие крупные скопления же­ лезных и марганцевых руд, а также месторождения фосфо­ ритов и т. д.

Под влиянием внедрения в поверхностные слои земной

вом — плодородием.

Внутренние сферы Земли

По современным представлениям Земля состоит из трех геосфер: земной коры, мантии и ядра (рис. 2).

Земная кора. Земная кора является самой наружной твердой оболочкой Земли и по сравнению со всеми другими внутренними ее оболочками она характеризуется наиболее неоднородным^ строением. По глубине в ней выделяются сверху вниз три слоя: осадочный, гранитный и базальтовый.

Осадочный слой преимущественно сложен относительно мягкими, иногда и рыхлыми горными породами, которые обпазовались в результате осаждения вещества в водных или воздушных условиях на поверхности Земли. Для большин­ ства осадочных горных пород характерно слоистое строение, т. е. залегание их в виде сравнительно тонких слоев (пла­ стов), ограниченных параллельными плоскостями.

29