Глава 2. Общая характеристика и вещественный состав земли

2.1. Форма и размеры земли

Современные представления о форме и размерах Земли по­явились не сразу. Так, древние индийцы представляли Землю в виде плоскости, лежащей на спинах слонов. А вавилоняне изображали Землю в виде круглой горы, окруженной морем, на которое, как опрокинутая чаша, опирается твердое небо. Древние греки, судя по поэмам Гомера «Одиссея» и «Илиада», представляли Землю в виде слегка выпуклого диска, обтекае­мого со всех сторон рекой — Океаном. А над Землей, по их представлениям, находится медный небосвод, по которому дви­жется Солнце, поднимаясь ежедневно из вод Океана на во­стоке и погружаясь в них на западе.

Впервые к выводу о шарообразности Земли пришел древ­негреческий ученый Пифагор (ок. 580—500 до н. э.) в 530 г. до н. э. А научно доказал это Аристотель (384—322 до н. э.) в IV в. до н. э. Он говорил, что если бы Земля не имела форму шара, то тень, которую она отбрасывает на Луну при ее затме­нии, не была бы ограничена дугой окружности. Во II в. до н. э. древнегреческий ученый Эратосфен Киренский (ок. 276—«194 до н. э.) впервые сравнительно точно определил средний ради­ус земного шара.

На рубеже XVII—XVIII вв. английский ученый И. Ньютон (1643—1727) доказал, что Земля не может иметь форму точ­ного шара. По расчетам Ньютона Земля вследствие вращения вокруг своей оси и преобладания в связи с этим у экватора действия центробежной силы над силой тяжести должна при­нять форму эллипсоида вращения, сжатого у полюсов. Это под­твердилось впоследствии. Но в действительности, поверхность Земли существенно отличается от поверхности идеального эл­липсоида вращения. Она имеет крупные неровности, амплитуда которых достигает 20 км. Например, вершина Гималаев — гора Джомолунгма — имеет высоту 8848 м над уровнем моря, а глубина Марианской впадины в Тихом океане равна 11 034 м. По сравнению с размером всей Земли эти неровности являют­ся очень незначительными. Поэтому обычно ими пренебрегают и ограничивают геометрическую фигуру Земли поверхностью океана, мысленно распространенной на всю Землю.

Такая фигура называется геоидом. Она характеризуется двумя размерами: большой, или экваториальной, полуосью (6378246 м) и малой, или полярной, полуосью (6356863 м). Отношение разности между большой и малой полуосями к большой полуоси называется полярным сжатием, или сплю­щенностью Земли. Оно равно 1 : 298,3.

Площадь поверхности Земли составляет около 510 млн. км², а объем — 1083 млрд. км³. Длина земного меридиана равна 40 008,6 км, длина экватора — 40 075,7 км.

2.2. Оболочки земного шара

Земной шар состоит из воздушной (атмосфера), водной (гидросфера), каменной (литосфера, или земная кора) и про­межуточной (мантия) оболочек. В центре Земли выделяется земное ядро. Каждая из оболочек характеризуется определенным химическим составом и физическим состоянием. Нижней границей атмосферы (греч. атмэ — воздух и сфе­ра— шар) является поверхность суши и воды, а верхняя ее граница условно проводится на высоте 2000 км. Атмосфера со­стоит из механической смеси в основном азота (78,03%) и кис­лорода (20,99%) с небольшим количеством аргона (0,94%), углекислого газа (0,03%) и ничтожного количества паров во­ды, инертных газов, озона, аммиака и других газов, а также пылевидных частиц.

Гидросфера (греч. гидор — вода) представляет собой сово­купность всех природных вод — морей, океанов, рек и озер, покрывающих 70,8% земной поверхности, а также подземных вод, насыщающих горные породы.

Земная кора, промежуточная оболочка и ядро Земли выде­лены в основном по результатам изучения распространения внутри Земли упругих колебаний. При естественных землетря­сениях или искусственных сотрясениях Земли (путем взрыва) частицы горных пород испытывают упругие колебания. Эти ко­лебания, называемые сейсмическими волнами, возникают в очаге землетрясения или взрыва и передаются затем с опре­деленной скоростью во все стороны. Различают продольные, поперечные и поверхностные сейсмические волны.

Продольные волны возникают в жидкой и газообраз­ной средах как следствие их реакции на внезапное изменение объема. Частицы вещества в них колеблются в плоскости, со­впадающей с направлением движения волны. Скорость рас­пространения продольных волн достигает 5—8 км/сек. Попе­речные колебания частиц возникают в результате изме­нения формы среды. Они происходят в плоскости, перпендику­лярной направлению движения упругой волны. Жидкости и газы формы не сопротивляются. Поэтому поперечные волны могут распространяться только в твердом веществе. Скорость распространения их обычно 3—5 км/сек. Поверх­ностные волны могут возникнуть, например, у поверхности раздела двух таких различных по упругим свойствам сред, как земля и воздух или вода. По мере удаления от этой поверхно­сти они быстро затухают. Скорость распространения поверх­ностных волн 3—4 км/сек.

Если бы Земля состояла до самого ядра из однородного ве­щества, то скорость распространения упругих колебаний с глу­биной не изменялась бы и была всюду одинаковой. В действи­тельности сейсмические (Волны, распространяясь от пункта взрыва в глубь Земли, встречают на различной глубине грани­цы раздела неоднородных по составу сред. Частично отражаясь от них, как от экрана, одни волны возвращаются на по­верхность Земли. Такие сейсмические волны называются от­раженными. Другие сейсмические волны, преломляясь на по­верхности раздела сред с различными упругими свойствами, проходят затем далее в глубь Земли. Такие волны называют­ся преломленными. Они могут, в свою очередь, отразиться за­тем от более глубокой границы.

Возвратившиеся к земной поверхности отраженные и пре­ломленные волны записываются в виде графиков—сейсмограмм на специальных сейсмических станциях. Обработка этих сейсмограмм позволяет определить глубину залегания границ, отражающих и преломляющих сейсмические волны. В некото­рых случаях можно получить также данные о свойствах гор­ных пород, через которые проходили сейсмические волны.

Неравномерная скорость прохождения сейсмических волн по разрезу Земли привела ученых к мысли о неоднородном, слоистом строении земного шара. Предполагается, что это обусловлено различной плотностью глубинного вещества Зем­ли. На этом основании, в частности, проводится граница меж­ду земной корой и мантией.

Земная кора, или литосфера (греч. литос — камень), — это твердая каменная оболочка Земли. Толщина ее составляет менее 1% земного радиуса и колеблется от 5—10 км в океанах до 70—80 км на материках. По скоростям распространения сей­смических волн в земной коре выделяют три слоя — осадоч­ный, «гранитный» и «базальтовый», различающиеся химиче­ским составом и физическими свойствами слагающих их гор­ных пород.

Верхний, осадочный слой сложен продуктами разру­шения пород среднего слоя, условно названного «гранитным». Он покрывает почти всю поверхность Земли. В наиболее по­груженных прогибах земной коры толщина осадочного слоя достигает 20—30 км, а в пунктах выхода на поверхность Земли гранитных пород уменьшается до нуля.

Средний слой земной коры назван «гранитным» потому, что скорость прохождения через него сейсмических волн совла­дает со скоростью упругих колебаний, полученных в лаборато­риях для образцов гранитных пород. В действительности этот слой, кроме гранита, содержит и другие породы, физические свойства которых близки к свойствам гранита. К ним относят­ся, например, гнейсы и кристаллические сланцы. Нижняя гра­ница «гранитного» слоя на континентах расположена на глу­бине 15—30 км. На дне Тихого океана и в глубоких впадинах Атлантического и Индийского океанов «гранитный» слой от­сутствует.

Нижний, «базальтовый» слой земной коры покрывает весь земной шар. «Базальтовым» слой назван потому, что ско­рости прохождения через него сейсмических волн соответствуют скоростям упругих колебаний, полученным эксперимен­тальным путем для базальтов. Но, по-видимому, в состав «ба­зальтового» слоя входят также и другие породы. Толщина слоя на континентах достигает 10—20 км, а под океанами — 3—7 км.

Мантия является промежуточной оболочкой между твердой земной корой и, по-видимому, размягченным ядром. У нижней границы земной коры при переходе в мантию наблюдается скачкообразное изменение скорости продольных сейсмических волн от 6,5—7,0 до 7,7—8,2 км/сек. Эта граница получила название поверхности Мохоровичича (сокращенно Мохо) по имени югославского ученого, впервые установившего этот раздел. Граница мантии с ядром проводится на глубине 2900 км. Область мантии до глубины 900 км называется верх­ней мантией.

В последние годы в верхней мантии на глубинах 100— 200 км под континентами и 50—400 км под океанами обнару­жена зона, в пределах которой отмечается понижение скорости прохождения сейсмических волн на 3—5%. Эта зона получила название астеносферы, или волновода. Ниже волновода скорость продольных сейсмических волн вновь резко возрас­тает. Полагают, что в золе волновода вещество обладает мень­шей плотностью и вязкостью, чем в остальной части верхней мантии.

Ядро Земли. На границе мантии и ядра происходит скачко­образное понижение скорости продольных сейсмических волн с 13,2—13,7 до 8,1—8,5 км/сек. При этом к центру Земли про­ходят только продольные волны, а поперечные волны не прохо­дят. Это означает, что вещество, слагающее внешнюю часть ядра, не является твердым телом. Предполагают, что оно на­ходится в расплавленном состоянии. Ниже границы мантии и ядра скорость распространения продольных сейсмических волн затем вновь постепенно нарастает до 10,2 км/сек, а на глубине 5080 км скорость скачкообразно возрастает до 11 км/сек и по­том до центра Земли почти не .изменяется. Это послужило ос­нованием для выделения твердого внутреннего «ядрышка» с радиусом 1290 км.