Вопрос 3

Планета Земля имеет форму «геоида», незначительно отли­чающуюся от эллипсоида вращения. Небольшая разница между величинами радиусов экваториального - - 6378 км и полярно­го— 6356 км - - позволяет считать Землю шаром с радиусом 6371 км. Общая площадь земной поверхности составляет 510 млн км², из которых 70,8 % приходится на моря и океаны и только 29,2 % на сушу.

2.1. Физические свойства вещества Земли По данным геофизических исследований, средняя плотность вещества Земли составляет 5,52 г/см³. Плотность поверхностных горных пород равна 1,6-2,8 г/см³, плотность огромных масс во­ды, морей и океанов составляет 1 г/см³. По теоретическим расче­там, плотность вещества Земли с глубиной возрастает и на глу­бинах 50 км составляет 3,3 г/см³, 100 км -- 5,0 г/см³, в центре планеты— 13,6 г/см³.

С увеличением плотности вещества к центру Земли происхо­дит и увеличение давления на единицу поверхности. При плот­ности поверхностных пород 2,7 г/см³ давление на площадь 1 см² с глубиной возрастает и составляет на глубине 100 м — 270Н/СМ²; 1 км - - 2700 Н/см²; 10 км - - 27000 Н/см², т.е. с глубиной происходит увеличение горного давления на конструкции подземных транспортных сооружений. Тепловое состояние Земли обусловлено получением тепла от солнца и внутренним теплом, возникающим при радио­активном распаде химических элементов. Солнечное тепло проникает внутрь Земли до сравнительно небольшой глубины, где суточные и годовые колебания не заметны. Слой Земли, в котором колебания годовой температуры не заметны и где она остается постоянной, называется поясом постоянной температуры. На территории России глубина пояса посто­янной температуры составляет от 20 до 30 м. По мере углубления ниже этого пояса температура Земли по­вышается, в среднем на 3 °С на каждые 100 м. В связи с этим вво­дится понятие о геотермическом градиенте — изменение темпера­туры в градусах на 100 м глубины. Средняя величина углубления в метрах, при которой температура повышается на 1 °С, называет­ся геотермической ступенью. Среднее значе­ние геотермической ступени равно 33 м. Вме­сте с тем известно, что величина геотермической ступени может изменяться от 5 до 100 м в зависимости от местных геологических условий (вулканическая деятельность, многолетняя мерзлота). Изменение температуры в скважинах и теоретические расче­ты свидетельствуют, что температура Земли составляет на глу­бинах 10 км * 300 °С; 60 км * 600 °С; 2900 км * 2500 °С. Учет увеличения температуры Земли с глубиной имеет прак­тическое значение при строительстве тоннелей, шахт, бурении скважин. Так, при проходке Северо-Муйского тоннеля на БАМе температура достигала 40 °С, а при проходке Симплонского тон­неля в Альпах на глубине 2690 м температура достигала 50 °С, что существенно осложняло строительные работы. 2.2. Геосферы Земли

Согласно результатам геофизических исследований (сейсми­ческим — по скорости распространения сейсмических волн) на­ша планета состоит из геосфер (оболочек) [12, 13]. 1. Атмосфера -- газовая оболочка планеты, общая мощ­ность более 2000 км. Состоит из газов: азота, кислорода и др. Плотность 0,0015 г/см³. Выделяются зоны: экзосфера, ионосфе­ра, тропосфера. Тропосфера — подвижная оболочка мощностью 10 км, состоит из воздуха, прилегает к твердой поверхности Зем­ли. Температура верхних слоев составляет -55 °С. 2. Гидросфера -- водная оболочка, мощность 0-11 км, состав — вода, плотность 1 г/см³. 3.Земная кора — твердая, наиболее изученная геосфера Земли. Выделяется два типа земной коры — материковая и океа­ническая. Материковая земная кора состоит из трех толщ (рис. 2.1): — верхняя толща осадочных пород — мощность от 10 км на равнинах до 25 км в горноскладчатых областях. Плотность пород изменяется от 1,6 г/см до 2,6 г/см³. Для толщи характерны низ­кие значения скоростей сейсмических волн — 3... 5 км/с; - средняя толща — «гранитный слой», состоит из магмати­ческих и метаморфических плотных пород, по составу соответ­ствующих граниту. В некоторых местах выходит на поверхность Земли. Мощность изменяется от 10 км на равнинах до 40 км в горноскладчатых областях. Плотность пород 2,65-2,8 г/см³. Ско­рость продольных волн 5,0-6,0 км/с; - нижняя толща — «базальтовый слой» — наименее изучен­ная. По составу представлена породами основного состава (бед­ных кремнеземом) - - базальтами, диабазами. Максимальная мощность --до 30 км характерна для равнин материков, под горноскладчатыми областями — около 10 км. Плотность пород составляет 3,0-3,2 г/см³. Скорость продольных волн — 7,6 км/с, поперечных — 4 км/с. Общая мощность материковой земной коры составляет от 40 до 70 км. Океаническая земная кора имеет мощность около 10-12 км. Состоит из толщи осадочных пород мощностью 3-5 км и толщи базальтовых пород мощностью от 3 до 10 км. Гранитный слой отсутствует. Нижняя граница земной коры на глубинах 12-70 км известна под названием раздела Мохоровичича, установленно­го югославским ученым в 1909 г. («раздел Мохо»). 4. Мантия — геосфера простирается от «раздела Мохо» до глубины 2900 км, где она граничит с земным ядром. Для вещест­ва мантии характерна более высокая плотность — от 3,5 г/см в верхней мантии до 5,8 г/см³ в нижней. Состояние вещества твер­дое. Температура мантии под «разделом Мохо» 1000 °С. В толще верхней мантии на глубинах 80 км под океанами и 200 км под континентами выделяется астеносфера (волновод, слой Гутенберга). Для астеносферы характерны пониженная вязкость вещества, повышенная температура — до 1500 °С, уменьшение скорости сейсмических волн. Астеносфера рассматривается исследователями как основной базисный уровень образования магматических очагов и главный энергетический источник магматических процессов. Астеносфера представляет собой пластичный слой, в котором «плавают» блоки литосферных плит. Таким образом, литосфера пред­ставляет собой твердую наружную оболочку Земли, состоящую из земной коры и верхней твердой части мантии. В этой толще Земли (литосфера + астеносфера) наиболее активно проявляются тектонические и магматические процессы, в связи с чем она вы­деляется как «тектоносфера». 5. Ядро Земли имеет радиус около 4,5 тыс. км, делится на внешнюю и внутреннюю части. Вещество внешнего ядра на­ходится в жидком, расплавленном состоянии (оно не пропускает поперечные волны, что характерно для жидкостей). Внутреннее ядро предполагается твердым. Плотность вещества ядра изменя­ется от 11,5 до 13,6 г/см³, температура — от 2500 °С до 4000 °С. Вещественный состав предположительно соответствует составу железных метеоритов.