7

Глава 1. Основные сведения о Земле

§1. Происхождение Земли

Сдревности существовало множество гипотез происхождения Земли. Сначала, естественно, господствовали теологические гипотезы. ФундаментнаучнойпланетнойкосмогониизаложилИ.Ньютон, который обратилвниманиеназакономерностидвиженияпланет. ВсерединеXVIII века И.Кант, а несколько позднее – П.Лаплас, выдвинули гипотезу об образованиисолнечной системы из первичной вращающейся вокруг некоторой оси туманности со сравнительно плотным центральным ядром.

Вдальнейшем, возникалиидажегосподствовали другиегипотезы, однакоразвитиенауки(впервуюочередь– физикииастрономии) последовательно доказывали их несостоятельность.

Всвою очередь, Кант – Лапласовская теория получала свое дальнейшееразвитиеусилиямимногихученых. Особыйвкладвэторазвитие сделалрусскийученыйО.Ю.Шмидт, которыйвсерединеXX векасформировалгипотезуоформированиипланетизгазопылевогооблака, захваченногоужесформировавшимсяСолнцемвпроцесседвиженияпоГалактике. Гипотеза Шмидта также несла в себе некоторые противоречия, а главное – не объясняла происхождения Солнца (и звезд вообще).

ВнастоящеевремянаиболеепризнаннаяинепротиворечиваягипотезаопроисхожденииСолнцаипланетсолнечнойсистемыизпервичного вращающегосягазопылевогооблакаврезультатемедленногооседанияи слипания его частиц под действием гравитации и дальнейшего гравитационного сжатия с выделением центральной части – протозвездыи протопланетногодискавокругнее. Опустимпоследующиестадииформированияцентральногосветилаиперейдемнепосредственнокпланетам. Образованиепланетизпротопланетногооблаканаиболееполноисследовано О.Ю.Шмидтом. НашаЗемляобразоваласьвовнутреннейзонепротопланетного диска, где температура от излучения центрального ядра была оченьвысокой(доиспаренияметаллов), поэтомупротопланетноеоблако сначала состояло только из газов; твердые пылинки образовались в процессеегоостывания. Аккумуляцияпылинокпривеласначалакобразованию множества «промежуточных» тел размером в сотни километров. В дальнейшемизроя «промежуточных» телиихобломковаккумулировалисьпланеты. Врезультатенеупругихстолкновенийнекоторыеиз«промежуточных» тел оказались на других орбитах, и сейчас представляют собой астероиды, ядра комет и некоторые из спутников планет. Кстати, посколькуастероидыбыстроаккумулировалисьвсамомначалеобразованиясолнечнойсистемы, ихвозраст– 4,7 млрд. лет– принимаетсязавозраствсейсолнечнойсистемы(инашейЗемли). Приаккумуляциипланет происходилихразогрев(упланетземнойгруппы– до1000-1500 С°). Ра-

8

зогревирасплавлениенедрЗемлипривелоквыплавлениюземнойкорыи выделениюгазовипаров, изкоторых, впоследствии, образовалисьатмосфера и гидросфера.

§ 2. Форма, масса и плотность Земли

Вопрос о форме и размерах Земли занимал людей всегда. Отбросим мистические и религиозные представления и обратимся к представлениям научным. Итак, надо получить ответ на вопрос: какую форму могла принять Земля, вращаясь с постоянной угловой скоростью вокруг своей оси, будучи при этом либо в вязко-жидком, либо в пластическом состоянии. Крометого, надодобавить, чтовсечастицымассыЗемливзаимнопритягивалисьоднакдругой, согласнозаконуНьютонаовзаимном притяжении тел. Таким образом, каждая частица вращающейся Земли находиласьподдействиемдвух сил: силывзаимного притяжениячастицицентробежнойсилы; действияэтихдвухсил, можносказать, прямопротивоположны. Витогекаждаяизчастицнаходиласьподдействием равнодействующей обеих названных сил; равнодействующая носит названиесилытяжести. И.Ньютон первыйнашел, чтоЗемлядолжнабыла принять форму сфероида - эллипсоида вращения, сжатого у полюсов. В действительности, реальнаяповерхностьЗемлигораздосложнее, чемматематическиправильнаяповерхностьсфероида. Поэтому, развиваядалее проблему определения фигуры Земли, приходится понимать под этим определение фигуры тела, наиболее подходящего по виду и размерам к действительнойЗемле. Такоетелополучилоназваниегеоида. Геоидво- ображаемаяповерхность, котораяопределяетсятем, чтонаправлениесилы тяжести к ней всюду перпендикулярно.

Величинасилытяжести(т.е. тогоускорения, котороеприобретает телоподвлияниемпритяженияЗемлиисучетомцентробежнойсилы) от места к месту незначительно меняется. Изменения эти вызваны различиямиввеличинецентробежнойсилы, а такженеправильностямивраспределении масс в наружных частях Земли. Если бы массы пород были строгораспределенывзависимоститолькоотсилытяжести(т.е. еслибы они вели себя как жидкое тело), то поверхность Земли всюду была бы перпендикулярнакнаправлениюсилытяжестиивсюдусоответствовала бы так называемой уровенной поверхности; сфероид совпал бы с геоидом. Наличие неправильностей (гор, океанических впадин) приводит к тому, чтоуровеннаяповерхность, т.е. геоид, несколькоотступаетотсфероида. ГеоиднесколькоближекистиннойфигуреЗемлисовсемиеевозвышенностями и впадинами, чем сфероид. Ввиду незначительного по сравнению с размерами Земли возвышения материков, со всеми их неровностями, над уровнем морей и океанов можно отождествить очень

9

сложную истинную фигуру Земли с фигурой вод поверхности океана, мысленно распространенного на всю Землю. Это и будет геоид.

РазмерыЗемли, помересовершенствованияизмерительнойтехники, постоянно уточняются.

Экваториальный радиус Земли равен 6378,245км, а полярный - 6356,863км. Для практических расчетов пользуются понятием среднего радиуса Земли. При его величине 6370км можно установить среднюю линиюмеридиональнойдугив1°, равную111км. МассаЗемлисчитается равной5,98х1027 г. ПомассеиобъемуЗемлибылаопределенаеесредняя плотность - 5,52г/см3.

Средняя плотность вещества поверхности Земли составляет 2,7г/см3, следовательно, недра Земли сложены веществами, имеющими весьма значительную плотность (до 11-12г/см3).

§ 3. Строение Земли

Земной шар подразделяется на несколько концентрических сфер (оболочек), вложенных однав другую – так называемых геосфер. Выделяютсянаружныеивнутренниегеосферы. Наружныегеосферыэтоатмосфера, гидросфера, биосфера, криосфера(прерывистаяледянаяоболочка)

илитосфера. Внутренниегеосферы: астеносфера(вязкопластическаявысокотемпературнаяоболочка, вкоторуюкакбывтопленыкорнилитосферы), верхняямантия, нижняямантия, внешнееядро, переходнаяоболочка

ицентральное ядро.

Внастоящеевремянесуществуетвозможностиизучатьвнутреннее строениеЗемлипрямымиметодами(например, бурениемскважин), даи литосфераизученатолькосповерхности. Наибольшуюглубинуимелатак называемая Кольская сверхглубокая скважина, которая в советское время бурилась на Кольском полуострове. Ее глубина достигла около 12,5км. Если сопоставить эту величину с размерами Земли, то, образно говоря, мы даже еще не прокололи кожицу яблока, не говоря уже о его сердцевине.

ДляпознанияглубокихзонЗемлиприменяютгеофизическиеметоды. Онизаключаютсявисследованиискоростираспространенияупругих волн. Различаются продольные, поперечные и поверхностные волны. Скоростьраспространенияупругихволнзависитотупругихсвойствгорных пород и их плотности.

Границымеждувнутреннимиоболочками(геосферами) выделяютсяпорезкимскачкообразнымизменениямскоростейизмененияупругих характеристик и плотности вещества (рис. 1.1).

10

Рис. 1.1. Схемы строения, состава и свойств Земли (в области потухших вулканов штрихами показан только осадочный слой, в областях морей и океанов ими показана еще и вода): 1 – осадочный слой; 2 – гранитный слой; 3 - базальтовый слой; 4 – глубинный разлом; 5 – первичный очаг;

6 – вторичный очаг.

Первая граница раздела находится на глубине 60-80км. Скорость распространенияупругихволнвземнойкоренаглубинахот5мдо80км, составляет 1-5,5км/сек. В нижних слоях земной коры в литосфере скорость увеличивается до 7км/сек. На глубине свыше 80км отмечается заметныйскачокскоростьвозрастаетдо8км/сек. Такимобразом, существуетрезкийразделмеждулитосферойиастеносферой, называемыйразделомМохоровичича(илиповерхностьюМохоровичича). Вышележит земнаякоратвердаявнешняягеосфера, являющаясяосновнымобъектом изучения геологии. В ней различают осадочный, гранитный и базальтовый слои.

Осадочныйслойслагаютразличныепосоставуосадочныегорные породы, прерывистымчехломпокрывающиеземнуюкорусповерхности. Еемощностьварьируетот0 до10-15кмприсреднемзначенииоколо3км; средняя плотность 2,5-2,6 г/см3.

Гранитный слой развит в земной коре неравномерно. Его мощность увеличивается от древних к молодым континентам и наибольшей

11

величины(50-80км) достигаетвзонахмолодыхгорныхсооружений(Западные Альпы, Памир). Гранитный слой практически отсутствует или оченьмал(0,4-0,5км) подокеанами. Посоставуэтотслойблизоккгорной породе- гранитуиимеетплотность2,6-2,7 г/см3. Всоставегранитногои осадочного слоев преобладают коме кислорода кремний и алюминий, поэтому их часто объединяют общим названием "сиаль".

ГраницаКонрада, определяемаяростомплотностипород(от2,7 до 2,9 г/см3), отделяет гранитный слой от нижней части земной коры - базальтового слоя. Базальтовый слой на территориях равнин достигает 20-30км, врайонемолодых гор- 15-20км, аподокеанами- 5-6км. По составуисвойствамонблизоккпородамсмалымсодержаниемкремнезема (типа базальтов, габбро и т.п.) и большей плотностью, чем породы гранитногослоя. Базальтовыйсоставслояподокеанамиподтверждаетсяизлиянием базальтовых лав подводными вулканами.

Границымеждуслоямивесьмаусловныислабовыраженывследствие их взаимного перехода, смещения и замещения, как по площади развития, так и в глубь Земли.

НижеповерхностиМохоровичича находитсямантия. Онараспространяетсядоглубины2900км, фиксируявторойразделпервогопорядка, отделяющий мантию от ядра.

Рис. 1.2. Графики изменения скорости поперечных υp и продольныхυs волн на различной глубине земного шара с сектором (справа), иллюстрирующим оболочечное строение Земли по данным сейсмического метода.

В мантии по строению, составу, свойствам и другим признакам выделяют три слоя: слой Гуттенберга (В) до глубины 200-400км, слой Голицына(С) - до700-900кмислойД- до2900км(рис. 1.2). СлоиВиС входятвсоставверхнеймантии, оболочкиЗемли, содержащейкромеки-

12

слородаикремнияещеимагний(симатическаяоболочка). Средняяплотность вещества верхней мантии 3,2-4,5г/см3.

ВпределахслояВвыделяютастеносферу(волноводилипоясразмягчения) - пластичный разуплотненный слой вещества, находящийся между 100-200км под материками и между 50-400км под океанами. Как менееплотный, материалволноводастремитсявсплыть. Полагают, чтоон на25% состоитизбазальта, выплавленного извеществаслояВ; надолю жидкойфазывволноводеприходитсядо10% общегообъемаегомассы. Жидкийбазальт, концентрируясьугребнейвыступовволновода, образует крупныескопления(астенолиты), которыепринарушенииизостатического равновесия внутри Земли, способны отрываться от волновода и внедряться в земную кору или изливаться на поверхность. Следовательно, именновслоеВзарождаютсяочагивулканов, землетрясений, связанных сперемещениямиглубинныхмасс, фокусыкоторыхобнаруживаютсядо глубины700-800км. Верхняямантия, наданнойстадииизученностиглубинных процессов, является наиболее активной и продуктивной частью оболочки, из которой формируются магматические породы и полезные ископаемые.

Ниже астеносферы в пределах слоя В на глубинах свыше 200км находится слойсповышеннойвязкостью. Его сменяетслойСпереходная зона, в которой возрастает плотностьпород, скорости сейсмических волн достигают максимальных значений. В.А.Магницкий полагает, что возрастаниеплотностивслоеСиещебольшевслоеД(5,3-6,6 г/см3) связано с заменой ионных типов связей ковалентными; дополнительным факторомявляется, видимо, медленноенарастаниевсестороннегодавления. ВсоставеслояДпредполагаютсякислород, железо, магний, никель.

Центральноеядро- сглубины2900кмидоцентраЗемлисостоит, по-видимому, изникеляижелеза. Плотностьвеществаколеблетсяот 7 до 11 г/см3. В пределах ядра выделяется жидкая внешняя оболочка до глубины 5100км(слойЕ- внешнее ядро), а сглубины 5100км, внутренняя часть - твердое ядрышко (слой F). Большая плотность вещества в ядрышкеможетбытьобъясненатем, чтоподвлияниембольшихдавлений у некоторой части атомов должно произойти нарушение электронных оболочек и срыв электронов. Такие атомы могут сблизиться на гораздо меньшие расстояния, чем это возможно при обычных условиях; то есть вещество в центре Земли может быть сжато в несравненно большей степени, чем в поверхностных частях. При этом появляется большое число свободных электронов, придающих веществу любого состава свойства металла или металлизированного вещества.

Существуетидругаягипотезастроенияядра, покоторойжелезаи никелятамнебольше, чемвдругихвнутреннихоболочках, простовеществовядрезасчетвсестороннегодавленияиспытываетфазовыйпереход

13

(переход всего соединения в металлическую фазу с перестройкой кристаллическойрешетки). Болеетого, посколькутакойпереходосуществляется скачком (что следует из физической сущности процесса), то этим объясняетсяиналичиерезкогоперехода(границыраздела) междумантией и ядром на глубине 2900км.

Полагают, чтоЗемля, восновном, находитсявтвердомсостоянии. Согласноэтомуземнаякора(осадочный, гранитныйибазальтовыйслои) состоят из твердых веществ. Залегающая ниже мантия вплоть до ядра состоитизвеществ, которыепримгновеннодействующихсилах(например, при ударах землетрясений) ведут себя как твердые, а при медленно действующих– какжидкие. Подобноедвойственноесостояниевещества можнопояснитьследующимпримером: есликусокльдауронитьнаполон расколется, ибо лед хрупок. Но та же хрупкость не мешает тому же льдувформегорноголедникабезостановочнотечьсоскоростьюдо2-3м в сутки. Внешнее ядро представляется сильно переуплотненной жидкостью, что объясняет полное прекращение распространения поперечных сейсмическихволнглубже2900км(какмызнаемизшкольногокурсафизики, вжидкостяхпоперечныеволнынераспространяются). Внутреннее ядро (или ядрышко) состоит из твердого металлизированного вещества.

Кроме сейсмических, существуют и другие методы изучения строения внутренних оболочек Земли.

Это гравиметрический метод, который заключается в изучении распределения на поверхности Земли силы тяжести. В зависимости от геологическогостроения надучастками, сложеннымилегкимигорными породами сила тяжести уменьшается, а над участками, сложенными тяжелыми породами – увеличивается (по сравнению с ее теоретическим значением, зависящим от географической широты и рассчитанным для сфероида).

Такиеотклоненияназываютсягравитационнымианомалиями. Например, вгорныхобразованиях(Альпы, Памир, Кавказидр.) этианомалииотрицательные, тоестьускорениесилытяжестивнихменьшетеоретическогозначения, авТихомокеанесосредоточеныаномалииположительные(сускорениембольшетеоретического). Казалосьбы, соотношениядолжныбытьобратными, ведьмассаводыокеанасплотностьюоколо 1 г/см3 должна создавать отрицательные аномалии, а горные породы со среднейплотностьюоколо2,8г/см3 – положительные. Вдействительности же, недостаток массы в океанах, образуемый водой, с лихвой компенсируется породами высокой плотности (до 3,2 г/см3), слагающими ложе океана – базальтовый слой, а под горными хребтами на значительную глубину(до50км) залегаютпородыпониженнойплотности– гранитный слой. Этимметодомизучаютстроение, главнымобразом, первойизтвердых оболочек Земли – земной коры.

14

Широкоприменяютсятакжемагнитныеметодыизученияглубин Земли, основанныенасравнительныххарактеристикахраспределениятак называемого″остаточногополя″земногомагнетизма, образующегосяза счет центров намагничивания, которые залегают на глубинах до 2900км (в мантии).

В целом, несмотря на очевидную трудность изучения строения недр Земли, задача эта в какой-то мере решается уже в наше время.

ХарактеристикавешнихоболочекЗемлидаетсявсокращенномвиде, поскольку эта тема достаточно полно изложена в школьных курсах.

Атмосфера это газообразная оболочка Земли, состоящая из трех основныхслоев: тропосферы, стратосферыиионосферы. Границымежду слоямидостаточноусловныисущественноизменяютсявзависимостиот широты местности и даже в одном месте – от времени года.

−тропосфера имееттолщинуот6кмуполюсовдо15-18км наэкваторе; в средних широтах – 10-12км. Содержит около 80% массы всей атмосферыивесьводянойпар. ТепловоеизлучениеЗемлиобуславливает нагревание воздуха в тропосфере. На каждые 100м высоты температура воздухапонижаетсяна0,5-0,6 °. Уполюсовтемпературауверхнейграницы тропосферы составляет –40 -50°С, а на экваторе -70 -80°С;

−стратосфера распространяется до высоты 80-90км и содержит около5% массывсейатмосферы. Стратосферахарактеризуетсяналичием озонового слоя в своей средней части. Температура при приближении к озоновомуслоювозрастаетидостигает+25°С, азатем, кверхнейгранице стратосферы падает до –80 -90°С;

−ионосфера это верхняя оболочка атмосферы, которая на высоте около1000кмпереходитвмежпланетноепространство. Ионосферахарактеризуетсясильнойионизациейвоздуха, чтовызываетполярныесияния.

Атмосфера в целом является важным геологическим фактором, влияющим на развитие земной поверхности.

Гидросфера - вторая из наружных оболочек Земли, образованная водами Мирового океана совместно с водами рек, озер, ледников; сюда жеотносятсяподземныеводы, залегающиенижеповерхностиЗемли. Таким образом, гидросфера является очень своеобразной оболочкой. Хотя все воды, входящие в нее, в той или иной степени связаны между собой, условия их нахождения в природе различны.

Гидросфераобладаетвысокойподвижностьюиживойсилойперемещающейсяводывовсехусловияхеесуществования. Вследствиеэтого онаявляетсямощнымгеологическимфакторомразвитияземнойповерхности. Гидросфера играет исключительно важную роль в образованиии разрушении горных пород и минералов и существенно влияет на происходящиегеологическиепроцессы, многиеизкоторыхивозможнытолько при наличии водной среды.

15

Биосфера это зона распространения живых организмов (включая растения), образующая прерывистую не сплошную органическую оболочкуЗемли. Биосфератесносвязаносатмосферойигидросферой. Вгеологиибиосферарассматриваетсятолькосточкизренияеевлияниянаизменения, протекающиевземнойкоре. Приэтомрольорганизмоввобразовании горных пород и полезных ископаемых огромна. Достаточно вспомнитьобширныеобласти, сложенныеизвестнякамиилиобразования каменного угля, торфа, фосфоритов, самородной серы и многих других пород и минералов, являющихся продуктами органической жизни.

§4. Тепловой режим Земли

ВЗемле, на некоторой глубине, находится так называемый пояс постоянных температур (для средней полосы России – на глубине 20-30м). Выше этого пояса температура изменяется в зависимости от временигода, ниже– независимооттемпературынаповерхности - закономерно повышается. Таким образом, пояс является границей воздействиявнешнегоисточникатеплоты, аименно– солнечнойрадиацииивнут-

реннегоисточника– теплоты, образующейсязасчетрадиоактивногораспада в недрахЗемли. Солнце в течение1 минуты отдает 1см2 земнойповерхностипримерно8,1 джоулейтепла. Этавеличинаназываетсясолнечнойпостоянной. Подвлияниемсолнечнойрадиациипроисходятразнообразныегеологическиепроцессы, протекающиенаповерхностиЗемлиив верхнихслояхземнойкоры: круговоротводы, разрушениеводойиветром земнойповерхности. Растрескиваниегорныхпородидр.; снейжесвязано и развитие биосферы.

Для изучения температурного режима в глубинных частях Земли пользуются двумя показателями:

- геотермическая ступень (b) – глубина в метрах, на протяжении

которой температура увеличивается на 1°;

- геотермический градиент (1/b) – изменение температуры в градусах на единицу глубины, обычно на 100м.

Обеэтивеличинынезакономерноизменяютсявзависимостиоттеплопроводности горных пород, характера их залегания, наличия и концентрации радиоактивных элементов.

По результатам многочисленных исследований в глубоких буровых скважинах и шахтах геотермическая ступень составляет 33м; таким образом, принеизменномдавлениитемпературанаразличныхглубинах должна составить:

					Таблица 1.1
Глубина, км	3,3	12	33	40	50	60
Температура, С°	100	374,6	1000	1200	1500	2000

16

Если продолжить данную последовательность, то в центре Земли температура составляла бы около 193000°С и даже при очень больших давленияхвеществонедррасплавилосьбыипроплавилобыотносительно тонкую земную кору. Земля же, как мы знаем, имеет несколько твердых оболочек. Поэтому, указаннаяпрогрессия(геотермическаяступень, равная33мигеотермическийградиент, равный3°на100м) будетсправедлива только для земной коры (оболочка А), да и то лишь до глубины 1520км, а глубже начинает уменьшаться.

Критическаятемператураводы, равная374°Сдостигаетсянаглубине около 12км; глубже вода формироваться не может. Температура плавления большинства минералов составляет 1100 - 1700°С, следовательно, уже на глубине 40-50км (при температуре 1200 - 1500°С) они должныплавиться. Однаконаэтихглубинахдавлениедостигаетдесятков тысяч атмосфер, поэтому вещество остается в твердом или твердопластичном состоянии.

ДанныхобизмененияхтемпературыЗемлинижесиалическойоболочки (земной коры) нет. По данным геофизических исследований рост температурытамрезкозамедляетсяинаглубине400км(награницеоболочек В и С) температура считается равной 1200 - 1400°С; на глубине 900км (на границе С и Д) - 1500°С; на глубине 2900км (Д и Е, мантия и ядро) - 4000°С; наглубине5100 (ЕиF) - 2500°СивцентреЗемли– около 3000°С. Радиоактивный распад не зависит от температуры и плотности вещества (по крайней мере – до величин 1500°С и 2000атм); количество радиоактивныхэлементовсглубинойуменьшаетсяиниже1200км, считается, они отсутствуют.