Строение и геологическая история Земли. Строение земли

Основным объектом изучения геологии является земная кора, внешняя твердая оболочка Земли, имеющая важнейшее значение для осуществления жизни и деятельности человека. При исследованиях состава, строения и истории развития Земли и земной коры, в частности, геологи используют: наблюдения; опыт или эксперимент, включающий различные как собственные, так и применяемые в других естественных науках методы исследований, например, физико-химические, биологические и др.; моделирование; метод аналогий; теоретический анализ; логические построения (гипотезы) и т. д.

В данном разделе рассматривается вопрос происхождения Земли, ее форма и строение, состав, история развития земной коры (геохронология); тектонические движения земной коры, формы поверхности (рельеф).

ПРОИСХОЖДЕНИЕ, ФОРМА И СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЗЕМЛИ

Солнечная система состоит из небесных тел. В нее входят: Солнце, девять больших планет, в том числе Земля, и десятки тысяч малых планет, комет и множество метеорных тел. Солнечная система - сложный и многообразный мир, далеко еще не изученный.

Вопрос о происхождении Земли - важнейший вопрос естествознания. Более 100 лет пользовалась признанием гипотеза Канта - Лапласа, согласно которой Солнечная система образовалась из огромной раскаленной газоподобной туманности, вращавшей-

ся вокруг оси, а Земля вначале была в жидком состоянии, а потом стала твердым телом.

Дальнейшее развитие науки показало несостоятельность этой гипотезы. В 40-х годах XX в. акад. О.Ю. Шмидт выдвинул новую гипотезу происхождения планет Солнечной системы, в том числе и Земли, согласно которой Солнце на своем пути пересекло и захватило одно из пылевых скоплений Галактики, поэтому планеты образовались не из раскаленных газов, а из пылевидных частиц, вращающихся вокруг Солнца. В этом скоплении со временем возникли уплотненные сгустки материи, давшие начало планетам.

Земля, по О.Ю. Шмидту, первоначально была холодной. Разогрев ее недр начался, когда она достигла больших размеров. Это произошло за счет выделения теплоты в результате распада имеющихся в ней радиоактивных веществ. Недра Земли приобрели пластическое состояние, более плотные вещества сосредоточились ближе к центру планеты, более легкие у ее периферии. Произошло расслоение Земли на отдельные оболочки. По гипотезе О.Ю. Шмидта, расслоение продолжается до настоящего времени. По мнению ряда ученых, именно это является основной причиной движений в земной коре, т. е. причиной тектонических процессов.

Заслуживает внимания гипотеза В.Г. Фесенкова, который считает, что в недрах звезд, в том числе и Солнца, протекают ядерные процессы. В один из периодов это привело к быстрому сжатию и увеличению скорости вращения Солнца. При этом образовался длинный выступ, который потом оторвался и распался на отдельные планеты. Обзор гипотез о происхождении Земли и наиболее вероятная схема ее происхождения детально рассмотрена в книге И.И. Потапова «Геология и экология сегодня» (1999).

КРАТКИЙ ОЧЕРК ГЛОБАЛЬНОЙ ЭВОЛЮЦИИ ЗЕМЛИ

Происхождение планет Солнечной системы и их эволюция активно изучались в XX в. в фундаментальных работах О.Ю. Шмидта, В.С. Сафронова, X. Аль-вена и Г. Аррениуса, А.В. Витязева, А. Гингвуда, В.Е. Хайна, О.Г. Сорохтина, С.А. Уманова, Л.М. Наймарка, В. Эльзассера, Н.А. Божко, А. Смита, Дж. Юрай-дена и др. Согласно современным космологическим представлениям, заложенным О.Ю. Шмидтом, Земля и Луна, равно как и другие планеты Солнечной системы, образовались за счет аккреции (слипания и дальнейшего роста) твердых частиц газопылевого протопланетного облака. На первом этапе рост Земли шел в ускоряющемся режиме аккреции, но по мере исчерпания запасов твердого вещества в околоземном рое планетезималей протопланетного облака этот рост постепенно замедлился. Процесс аккреции Земли сопровождался выделением колоссального количества гравитационной энергии, примерно 23,3 10 й эрг. Такое количество энергии способно было не только расплавить вещество, но даже растворить его, но большая часть этой энергии выделялась в приповерхностной части Протоземли и терялась в виде теплового излучения. На то чтобы Земля сформировалась на 99 % ее современной массы, потребовалось 100 млн лет.

На первом этапе молодая Земля сразу же после образования была относительно холодным телом, и температура ее недр не превышала температуры плавления земного вещества, в силу того что при формировании планеты происходил не только нагрев за счет падающих планетезималей, но и остывание за счет теп-лопотерь в окружающее пространство, кроме того, Земля имела однородный состав. Дальнейшая эволюция Земли обусловлена ее составом, теплозапасом и историей взаимодействия с Луной. Влияние состава сказывается прежде всего через энергию распада радиоактивных элементов и гравитационную дифференциацию земного вещества.

До формирования планетной системы звезда Солнце представляла собой практически классический красный гигант. Звезды этого типа в результате внутренних ядерных реакций водородного горения формируют более тяжелые химические элементы с выделением огромного количества энергии и возникновением сильного светового давления с поверхности на газообразную атмосферу. В результате комбинационного воздействия этого давления и огромного притяжения атмосфера звезды испытывала попеременное сжатие и расширение. Этот процесс в условиях динамического увеличения массы газовой оболочки продолжался до тех пор, пока в результате резонанса внешняя газовая оболочка, оторвавшись от Солнца, не превратилась в планетарную туманность.

Под воздействием силового магнитного поля звезды ионизированное вещество планетарной туманности подверглось электромагнитной сепарации слагающих его химических элементов. Постепенная потеря тепловой энергии и электрических зарядов газов привело их к слипанию. При этом под воздействием магнитного поля звезды обеспечивалась эффективная передача момента вращения к образовавшимся в результате аккреции планетезималям, которые послужили началом формирования всех планет Солнечной системы. При потере заряда ионизированными химическими элементами последние превращались в молекулы, реагировавшие друг с другом, образуя простейшие химические соединения: гидриды, карбиды, оксиды, цианиды, сульфиды и хлориды железа и др.

Процесс постепенного уплотнения, разогревания и дальнейшей дифференциации вещества в образовавшихся планетах происходил с захватом частиц из окружающего пространства. В центре формирующейся протопланеты концентрировались металлы за счет гравитационного разделения вещества. Вокруг этой зоны собирались карбиды железа и никеля, сернистое железо и оксиды железа. Таким образом образовалось внешнее жидкое ядро, которое в своей оболочке содержало гидриды и оксиды кремния и алюминия, воду, метан, водород, оксиды магния, калия, натрия, кальция и другие соединения. При этом происходила зонная плавка образовавшейся оболочки и сокращение поверхности и уменьшение объема планеты. Следующими этапами было формирование мантии, протокоры и выплавление астеносферы. Протокора дробилась за счет упомянутого выше сокращения объема и поверхности. За счет этого на поверхность изливались базальты, которые после остывания вновь погружались в глубинную часть мантии и подвергались следующей переплавке; затем часть базальтовой коры постепенно трансформировалась в гранитную.

Поверхностные слои Земли на этапе формирования состояли из мелкопористого реголита, который активно связывал выделявшиеся воду и углекислый газ за счет своего ультраосновного состава. Общий теплозапас Земли и распределение температуры в ее недрах определялись скоростью роста планеты. В целом, в отличие от Луны, Земля никогда не плавилась полностью, а процесс формирования земного ядра растянулся приблизительно на 4 млрд лет.

Примерно 600 млн лет продолжалось состояние холодной и тектонически пассивной Земли. В это время медленно разогревались недра планеты и примерно 4 млрд лет назад на Земле проявилась активная гранитизация и сформировалась астеносфера. При этом Луна как самый массивный спутник «вычищал» из околоземного пространства все имевшиеся там меньшие спутники и микролуны,

а на самой Луне произошла вспышка базальтового магматизма, что совпало с началом тектонической активности на Земле (период продолжался от 4,0 до 3,6 млрд лет назад). В этот же момент в недрах Земли возбуждается процесс гравитационной дифференциации земного вещества - главного процесса, поддерживавшего тектоническую активность Земли во все последующие геологические эпохи и приведшего к выделению и росту плотного оксидно-железного земного ядра.

Так как в криптотектоническую эпоху (катархее) земное вещество никогда не плавилось, то не могли развиваться процессы дегазации Земли, поэтому первые 600 млн лет существования Земли на ее поверхности полностью отсутствовала гидросфера, а атмосфера была исключительно разряженной и состояла из благородных газов. В это время рельеф Земли был сглаженным, состоявшим из темно-серого реголита. Все освещалось желтым слабогреюшим Солнцем (светимость была на 30 % меньше современной) и непомерно большим без пятен диском Луны (она приблизительно в 300-350 раз превышала современную видимую площадь диска Луны). Луна была еще горячей планетой и могла обогревать Землю. Стремительным было движение Солнца - всего за 3 ч оно пересекало небосвод, чтобы через 3 ч вновь взойти с востока. Гораздо медленнее двигалась Луна, так как она быстро вращалась вокруг Земли в ту же сторону, так что и фазы Луны проходили все стадии за 8-10 ч. Луна обращалась вокруг Земли по орбите с радиусом 14-25 тыс. км (сейчас радиус 384,4 тыс. км). Интенсивные приливные деформации Земли вызывали вслед движению Луны непрерывную (через каждые 18-20 ч) череду землетрясений. Амплитуда лунных приливов составляла 1,5 км.

Постепенно, примерно через миллион лет после образования, за счет осуществлявшегося отталкивания лунные приливы снизились до 130 м, еще через 10 млн лет до 25 м, а через 100 млн лет - до 15 м, к концу катархея - до 7 м, а сейчас в подлунной точке современные приливы твердой Земли составляют 45 см. Приливные землетрясения в то время были исключительно экзогенного характера, так как никакой тектонической деятельности еще не было. В архее, в самом начале, дифференциация земного вещества происходила путем выплавления из него металлического железа на уровне верхней мантии. В связи с исключительно высокой вязкостью холодной сердцевины молодой Земли возникшая гравитационная неустойчивость могла быть компенсирована путем выжимания этой сердцевины к земной поверхности и затекания на ее место выделившихся ранее тяжелых расплавов, т. е. путем формирования у Земли плотного ядра. Этот процесс завершился к концу архея около 2,7-2,6 млрд лет назад; в это время все оборобленные до этого континентальные массивы стремительно начали двигаться к одному из полюсов и объединились в первый на планете суперконтинент Моногея. Ландшафты Земли изменились, контрастность рельефа не превышала 1-2 км, все понижения рельефа постепенно заполнялись водой и в позднем архее образовался мелководный (до 1 км) единый Мировой океан.

В начале архея Луна удалилась от Земли на 160 тыс. км. Земля вращалась вокруг своей оси с большой скоростью (в году было 890 суток, а сутки продолжались 9,9 ч). Лунные приливы амплитудой до 360 см деформировали поверхность Земли через каждые 5,2 ч; к концу архея вращение Земли существенно замедлилось (в году стало 490 суток по 19 ч), а Луна перестала влиять на тектоническую активность Земли. Атмосфера в архее пополнилась азотом, углекислым газом и парами воды, но кислород отсутствовал, так как он мгновенно связывался свободным (металлическим) железом мантийного вещества, постоянно поднимавшегося через рифтовые зоны к поверхности Земли.

В протерозое за счет перераспределения конвективных движений под суперконтинентом Моногея восходящий поток привел к его распаду (примерно 2,4-3,3 млрд лет назад). Последовавшие затем формирования и дробления суперконтинентов Мегагеи, Мезогеи и Пангеи проходили с образованием сложнейших тектонических структур и продолжались вплоть до кембрия и ордовика (уже в палеозое). К этому времени масса воды на поверхности Земли стала настолько

большой, что уже проявилось в формировании более глубоководного Мирового океана. Океанская кора подверглась гидратации и этот процесс сопровождался усилением поглощения углекислого газа с образованием карбонатов. Атмосфера продолжала оставаться обедненной кислородом за счет продолжавшегося связывания его выделявшимся железом. Этот процесс завершился только к началу фане-розоя, и с этого времени земная атмосфера стала активно насыщаться кислородом, постепенно приближаясь к ее современному составу.

В этой новой ситуации произошла резкая активизация жизненных форм, обмен веществ которых был построен на реакциях обратного окисления органических веществ, синтезируемых растениями. Так появились организмы царства животных, но это уже к концу кембрийского периода, в фанерозое, и это привело к возникновению всех типов скелетных и бесскелетных животных, сказавшихся на многих геологических процессах в поверхностной зоне Земли в последующие геологические эпохи. Геологическая эволюция фанерозоя изучена гораздо подробнее, чем другие эпохи, и можно коротко описать ее следующим образом. В это наиболее близкое нам время, как было выявлено, происходили трансгрессии и регрессии океана, глобальные изменения климата, в частности, чередование ледниковых и практически безледниковых периодов, кстати, первым, как предполагается, на Земле было Гуронское оледенение в протерозое.

Процессы трансгрессий и регрессий океана при мощном развитии жизненных форм, активная эродирующая деятельность ледников и эрозионная деятельность ледниковых вод привели к значительной переработке пород, слагавших поверхностную зону земной коры, накоплению терригенного материала на океанском дне, седиментационным процессам накопления органогенного и хемо-генного материала в водных бассейнах.

Пространственное расположение материков и океанов постепенно менялось и было весьма различным относительно экватора: попеременно, то северное, то южное полушарие было континентальным или океаническим. Климат также неоднократно менялся, находясь в тесной связи с эпохами оледенений и межледниковий. Активно от палеозоя до кайнозоя (и в нем) происходили изменения глубин, температуры и состава вод Мирового океана; развитие жизненных форм привело к выходу их из водной среды и постепенному освоению суши, а также эволюции жизненных форм вплоть до известных. На основании анализа геологической истории фанерозоя следует вывод, что все главные рубежи (разделение геохронологической шкалы на эры, периоды и эпохи) в значительной степени обусловлены столкновениями и расколами материков в процессе глобального перемещения «ансамбля» литосферных плит.

ФОРМА ЗЕМЛИ

Форма Земли обычно именуется земным шаром. Установлено, что масса Земли равна 5976 10 21 кг, объем 1,083 10 12 км 3 . Средний радиус 6371,2 км, средняя плотность 5,518 кг/м 3 , среднее ускорение силы тяжести 9,81 м/с 2 . Форма Земли близка к трехосному эллипсоиду вращения с полярным сжатием: у современной Земли полярный радиус 6356,78 км, а экваториальный 6378,16 км. Длина земного меридиана составляет 40008,548 км, длина экватора 40075,704 км. Полярное сжатие (или «сплюснутость») обусловлена вращением Земли вокруг полярной оси и величина этого сжатия связана со скоростью вращения Земли. Иногда форму Земли именуют сфероидом, но для Земли есть и

собственное наименование формы, а именно геоид. Дело в том, что земная поверхность изменчива и значительна по высоте; есть высочайшие горные системы более чем в 8000 м (например, гора Эверест - 8842 м) и глубокие океанические впадины более чем в

11 000 м (Марианская впадина - 11 022 м). Геоид вне континентов совпадает с невозмущенной поверхностью Мирового океана, на континентах поверхность геоида рассчитана по гравиметрическим исследованиям и с помощью наблюдений из космоса.

Земля обладает сложноорганизованным магнитным полем, которое можно описать как поле, создаваемое намагниченным шаром или магнитным диполем.

Поверхность земного шара на 70,8% (361,1 млн км 2) занята поверхностными водами (океанами, морями, озерами, водохранилищами, реками и т. д.). Суша составляет 29,2 % (148,9 млн км 2).

СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ

В общем виде, как установлено современными геофизическими исследованиями на основании, в частности, оценок скоростей распространения сейсмических волн, изучения плотности земного вещества, массы Земли, результатов космических экспериментов по определению распределения воздушного и водного пространств и другими данными, Земля сложена как бы несколькими концентрическими оболочками: внешними - атмосфера (газовая оболочка), гидросфера (водная оболочка), биосфера (область распространения живого вещества, по В.И. Вернадскому) и внутренними, которые называют собственно геосферами (ядро, мантия и литосфера) (рис. 1).

Непосредственному наблюдению доступны атмосфера, гидросфера, биосфера и самая верхняя часть земной коры. С помощью буровых скважин человеку удается изучать глубины в основном до 8 км. Проходка сверхглубоких скважин осуществляется в научных целях в нашей стране, США и Канаде (в России на Кольской сверхглубокой скважине достигнута глубина более

12 км, что позволило отобрать образцы горных пород для непосредственного прямого изучения). Основной целью сверхглубокого бурения является достижение глубинных слоев земной коры - границ «гранитного» и «базальтового» слоев или верхних границ мантии. Строение более глубоких недр Земли изучается геофизическими методами, из которых наибольшее значение имеют сейсмические и гравиметрические. Изучение вещества, поднятого с границ мантии, должно внести ясность в проблему строения Земли. Особый интерес представляет мантия, так как

Рис. 1. Схематическое изображение строения Земли (а) и земной коры (б):

Л - ядро; В у С - мантия; О - земная кора; Е - атмосфера (по М. Васичу); 1 - покровные отложения; 2 - гранитоподобный слой; 3 - базальтовый слой; 4-верхняя мантия; 5-мантия

земная кора со всеми полезными ископаемыми образовалась в конечном счете из ее вещества.

Атмосфера по распределенной в ней температуре снизу вверх подразделяется на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу. Тропосфера составляет около 80 % всей массы атмосферы и достигает высоты 16-18 км в экваториальной части и

8-10 км в полярных областях. Стратосфера простирается до высоты 55 км и имеет у верхней границы слой озона. Далее идут до высоты 80 км мезосфера, до 800-1000 км термосфера и выше располагается экзосфера (сфера рассеивания), составляющая не более 0,5 % массы земной атмосферы. В состав атмосферы входят азот (78,1 %), кислород (21,3 %), аргон (1,28 %), углекислота (0,04 %) и другие газы и почти весь водяной пар. Содержание озона (0 3) равно 3,1 10 15 г, а кислорода (0 2) 1,192 10 2! г. С удалением от поверхности Земли температура атмосферы резко понижается и на высоте 10-12 км она уже составляет около -50 °С. В тропосфере происходит образование облаков и сосредоточиваются тепловые движения воздуха. У поверхности Земли наиболее высокая температура была отмечена в Ливии (+58 °С в тени), на территории бывшего СССР в районе г. Термез (+50 °С в тени).

Наиболее низкая температура зафиксирована в Антарктиде (-87 °С), а на территории России - в Якутии (-71 °С).

Стратосфера - следующий над тропосферой слой. Присутствие озона в данном атмосферном слое обусловливает повышение температуры в нем до +50 °С, но на высоте 8-90 км температура снова понижается до -60...-90 °С.

Среднее давление воздуха на уровне моря равно 1,0132 бар (760 мм рт. ст.), а плотность 1,3 10 3 г/см. В атмосфере и ее облачном покрове поглощается 18 % излучения Солнца. В результате радиационного баланса системы «Земля-атмосфера» средняя температура на поверхности Земли положительная (+15 °С), хотя ее колебания в разных климатических зонах могут достигать 150 °С.

Гидросфера - водная оболочка, которая играет большую роль в геологических процессах Земли. В ее состав входят все воды Земли (океаны, моря, реки, озера, материковые льды и т. д.). Гидросфера не образует сплошного слоя и покрывает земную поверхность на 70,8 %. Средняя мощность ее около 3,8 км, наибольшая - свыше 11 км (11 022 м - Марианская впадина в Тихом океане).

Гидросфера Земли значительно моложе самой планеты. На первых этапах своего существования поверхность Земли была полностью безводной, да и в атмосфере водяного пара практически не было. Образование гидросферы обусловлено процессами отделения воды из вещества мантии. Гидросфера в настоящее время составляет неразрывное единство с литосферой, атмосферой и биосферой. Именно для последней - биосферы - весьма важное значение имеют уникальные свойства воды как химического соединения, например, изменения в объеме при переходе воды из одного фазового состояния в другое (при замерзании,

при испарении); высокая растворяющая способность по отношению почти ко всем соединениям на Земле.

Именно наличие воды по своей сути обеспечивает существование жизни на Земле в известной нам форме. Из воды, как простого соединения, и углекислоты растения способны под воздействием солнечной энергии и в присутствии хлорофилла образовывать сложные органические соединения, что собственно и является процессом фотосинтеза. Вода на Земле распределена неравномерно, большая ее часть сосредоточена на поверхности. По отношению же к объему земного шара общий объем гидросферы не превышает 0,13 %. Основную часть гидросферы составляет Мировой океан (94 %), площадь которого 361059 км 2 , а общий объем-1370 млн км 3 . В континентальной земной коре 4,42 10 23 г воды, в океанической -3,61 10 23 г. В табл. 1 приведено распределение воды на Земле.

Таблица 1

Объем гидросферы и интенсивность водообмена

^Активному водообмену и использованию могут быть подвергнуты всего лишь 4000 тыс. км 3 подземных вод, расположенных на небольших глубинах.

Температура воды в океане меняется не только в зависимости от широты местности (близость к полюсам или экватору), но и от глубины океана. Наибольшей изменчивостью температур отличается поверхностный слой до глубины 150 м. Самая высокая температура воды в верхнем слое отмечена в Персидском заливе (+35,6 °С), а наиболее низкая - в Северном Ледовитом океане (-2,8 °С).

Химический состав гидросферы весьма разнообразен: от весьма пресных до очень соленых вод, типа рассолов.

Более 98 % всех водных ресурсов Земли составляют соленые воды океанов, морей и некоторых озер, ^гтатеке минера пизпуян-

ные подземные воды. Общий объем пресной воды на Земле равен 28,25 млн км 3 , что составляет всего лишь около 2 % общего объема гидросферы, при этом наибольшая часть пресных вод сосредоточена в материковых льдах Антарктиды, Гренландии, полярных островов и высокогорных областей. Это вода в настоящее время малодоступна для практического использования человеком.

В Мировом океане содержится 1,4-10 2 диоксида углерода (С0 2), что почти в 60 раз больше, чем в атмосфере; кислорода в океане растворено 8 10 18 г или почти в 150 раз меньше, чем в атмосфере. Ежегодно реки сносят в океаны около 2,53 10 16 г терри-генного материала с суши, из них почти 2,25 10 16 г приходится на взвесь, остальное - растворимые и органические вещества.

Соленость (средняя) морской воды равна 3,5 % (35 г/л). В морской воде кроме хлоридов, сульфатов и карбонатов содержатся также йод, фтор, фосфор, рубидий, цезий, золото и другие элементы. В воде растворено 0,48 10 23 г солей.

Глубоководные исследования, проведенные в последние годы, позволили установить наличие горизонтальных и вертикальных течений, существование форм жизни во всей толще воды. Органический мир моря разделяется на бентос, планктон, нектон и др. К бентосу относятся организмы, обитающие на грунте и в грунте морских и континентальных водоемов. Планктон - совокупность организмов, населяющих толщу воды, не способных противостоять переносу течением. Нектон - активно плавающие, например рыбы, и другие морские животные.

В настоящее время серьезным становится вопрос о дефиците пресной воды, что является одной из составляющих развивающегося глобального экологического кризиса. Дело в том, что пресная вода необходима не только для утилитарных нужд человека (питья, приготовления пищи, умывания и т. п.), но и для большинства промышленных процессов, не говоря уже о том, что только пресная вода пригодна для сельскохозяйственного производства - агротехники и животноводства, так как подавляющее большинство растений и животных сосредоточено на суше и для осуществления своей жизнедеятельности они используют исключительно пресную воду. Рост населения Земли (уже сейчас на планете более 6 млрд человек) и связанное с этим активное развитие промышленности и сельскохозяйственного производства привели к тому, что ежегодно человеком потребляется 3,5 тыс. км 3 пресной воды, причем безвозвратные потери составляют 150 км 3 . Та часть гидросферы, которая пригодна для водоснабжения, составляет 4,2 км 3 , это всего лишь 0,3 % объема гидросферы. В России достаточно большие запасы пресной воды (около 150 тыс. рек, 200 тыс. озер, множество водохранилищ и прудов,

значительные объемы подземных вод), однако распределение этих запасов по территории страны далеко неравномерно.

Гидросфера играет важную роль в проявлении многих геологических процессов, особенно в поверхностной зоне земной коры. С одной стороны, под воздействием гидросферы происходит интенсивное разрушение горных пород и их перемещение, пере-отложение, с другой - гидросфера выступает как мощный созидательный фактор, являясь по существу бассейном для накопления в ее пределах значительных толщ осадков разного состава.

Биосфера находится в постоянном взаимодействии с литосферой, гидросферой и атмосферой, что существенно сказывается на составе и строении литосферы.

В целом под биосферой в настоящее время понимают область распространения живого вещества (живые организмы известных науке форм); это сложноорганизованная оболочка, связанная биохимическими (и геохимическими) циклами миграции вещества, энергии и информации. Академик В. И. Вернадский в понятие биосферы включает все структуры Земли, генетически связанные с живым веществом; прошлой или современной деятельностью живых организмов. Большая часть геологической истории Земли связана с деятельностью живых организмов, особенно в поверхностной части земной коры, например, это весьма мощные осадочные толщи органогенных горных пород - известняков, диатомитов и др. Область распространения биосферы ограничивается в атмосфере озоновым слоем (примерно 18-50 км над поверхностью планеты), выше которого известные на Земле формы жизни невозможны без специальных средств защиты, как это осуществляется при космических полетах за пределы атмосферы и на другие планеты. В недра Земли до последнего времени биосфера распространялась до глубины Марианской впадины в 11 022 м, однако при бурении Кольской сверхглубокой скважины достигнута глубина более 12 км, а это означает, что на данную глубину осуществлено проникновение живого вещества.

Внутреннее строение Земли, по современным представлениям, состоит из ядра, мантии и литосферы. Границы между ними достаточно условны, вследствие взаимопроникновения как по площади, так и по глубине (см. рис. 1).

Земное ядро состоит из внешнего (жидкого) и внутреннего (твердого) ядра. Радиус внутреннего ядра (так называемый слой в) примерно равен 1200-1250 км, переходный слой (Б) между внутренним и внешним ядром имеет мощность около 300-400 км, а радиус внешнего ядра равен 3450-3500 км (соответственно глубина 2870-2920 км). Плотность вещества во внешнем ядре с глубиной возрастает с 9,5 до 12,3 г/см 3 . В центральной части

внутреннего ядра плотность вещества достигает почти 14 г/см 3 . Все это показывает, что масса земного ядра составляет до 32 % всей массы Земли, в то время как объем примерно 16 % объема Земли. Современные специалисты считают, что земное ядро почти на 90 % представляет собой железо с примесью кислорода, серы, углерода и водорода, причем внутреннее ядро имеет, по современным представлениям, железо-никелевый состав, что полностью отвечает составу ряда исследованных метеоритов.

Мантия Земли представляет собой силикатную оболочку между ядром и подошвой литосферы. Масса мантии составляет 67,8 % общей массы Земли (О.Г. Сорохтин, 1994). Геофизическими исследованиями установлено, что мантия, в свою очередь, может быть подразделена (см. рис. 1) на верхнюю мантию (слой Д до глубины 400 км), переходный слой Голицына (слой С на глубине от 400 до 1000 км) и нижнюю мантию (слой В с подошвой на глубине примерно 2900 км). Под океанами в верхней мантии выделяется слой, в котором мантийное вещество находится в частично расплавленном состоянии. Весьма важным элементом в строении мантии является зона, подстилающая подошву литосферы. Физически она представляет собой поверхность перехода сверху вниз от охлажденных жестких пород к частично расплавленному мантийному веществу, находящемуся в пластическом состоянии и составляющему астеносферу.

По современным представлениям, мантия имеет ультраоснов-ной состав (пиролита, как смеси 75 % перидотита и 25 % толери-тового базальта или лерцолита), в связи с чем ее часто называют перидотитовой, или «каменной», оболочкой. Содержание радиоактивных элементов в мантии весьма низко. Так, в среднем 10 -8 % 13; 10~ 7 % ТЬ, 10" 6 % 40 К. Мантия в настоящее время оценивается как источник сейсмических и вулканических явлений, горообразовательных процессов, а также зона реализации магматизма.

Земная кора представляет собой верхний слой Земли, который имеет нижнюю границу, или подошву, по сейсмическим данным, по слою Мохоровичича, где отмечено скачкообразное увеличение ско^ ростей распространения упругих (сейсмических) волн до 8,2 км/с.

Для инженера-геолога земная кора является основным объектом исследований , именно на ее поверхности и в ее недрах возводятся инженерные сооружения, т. е. осуществляется строительная деятельность. В частности, для решения многих практических задач важным является выяснение процессов формирования поверхности земной коры, истории этого формирования.

В целом поверхность земной коры формируется под воздействием направленных противоположно друг другу процессов:

• эндогенных, включающих в себя тектонические и магматические процессы, которые ведут к вертикальным перемещениям в земной коре - поднятиям и опусканиям, т. е. создают «неровности» рельефа;
• экзогенных, вызывающих денудацию (выполаживание, выравнивание) рельефа за счет выветривания, эрозии различных видов и гравитационных сил;
• седиментационных (осадконакопление), как «выполняющих» осадками все созданные при эндогенезе неровности.

В настоящее время выделяются два типа земной коры: «базальтовая» океаническая и «гранитная» континентальная.

Океаническая кора достаточно проста по составу и представляет собой некое трехслойное формирование. Верхний слой, мощность которого колеблется от 0,5 км в срединной части океана до 15 км у глубоководных дельт рек и материковых склонов, где накапливается практически весь терригенный материал, в то время как в других зонах океана осадочный материал представлен карбонатными осадками и бескарбонатными красными глубоководными глинами. Второй слой сложен подушечными лавами базальтов океанического типа, подстилаемый долеритовыми дайками того же состава; общая мощность этого слоя составляет 1,5-2 км. Третий слой в верхней части разреза представлен слоем габбро, который вблизи от срединных океанических хребтов подстилается серпентинитами; общая мощность третьего слоя лежит в пределах от 4,7 до 5 км.

Средняя плотность океанической коры (без осадков) равна 2,9 г/см 3 , ее масса - 6,4 10 24 г, объем осадков - 323 млн км 3 . Океаническая кора образуется в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов за счет происходящего под ними выделения базальтовых расплавов из астеносферного слоя Земли и излияния толеритовых базальтов на океанское дно. Установлено, что ежегодно из астеносферы поступает 12 км 3 базальтов. Все эти грандиозные тектоно-магматические процессы сопровождаются повышенной сейсмичностью и не имеют себе равных на континентах.

Континентальная кора резко отличается от океанической по мощности, строению и составу. Ее мощность меняется от 20-25 км под островными дугами и участками с переходным типом коры до 80 км под молодыми складчатыми поясами Земли, например под Андами или Альпийско-Гималайским поясом. Мощность континентальной коры под древними платформами составляет в среднем 40 км. Континентальная кора сложена тремя слоями, верхний из которых осадочный, а два нижних представлены кристаллическими породами. Осадочный слой сложен глинистыми осадками и карбонатами мелководных морских бас-

сейнов и имеет весьма различную мощность от 0 на древних щитах до 15 км в краевых прогибах платформ. Под осадочным слоем залегают докембрийские «гранитные» породы, зачастую преобразованные процессами регионального метаморфизма. Далее залегает базальтовый слой. Отличием океанической коры от континентальной является наличие в последней гранитного слоя. Далее океаническая и континентальная кора подстилаются породами верхней мантии.

Земная кора имеет алюмосиликатный состав, представленный, главным образом, легкоплавкими соединениями. Из химических элементов преобладающими являются кислород (43,13 %), кремний (26 %) и алюминий (7,45 %) в форме силикатов и оксидов (табл. 2).

Таблица 2

Средний химический состав земной коры

Химический состав земной коры, %, следующий: кисло

род - 46,8; кремний - 27,3; алюминий - 8,7; железо -5,1; кальций - 3,6; натрий - 2,6; калий - 2,6; магний - 2,1; другие - 1,2.

Как показывают последние данные, состав океанической коры настолько постоянен, что его можно считать одной из глобальных констант, так же как состав атмосферного воздуха или среднюю соленость морской воды. Это является свидетельством единства механизма ее образования.

Важным обстоятельством, отличающим земную кору от других внутренних геосфер, является наличие в ней повышенного содержания долгоживущих радиоактивных изотопов урана 232 и, тория 237 ТЬ, калия 40 К, причем их наибольшая концентрация отмечена для «гранитного» слоя континентальной коры, в океанической же коре радиоактивных элементов ничтожно мало.

Р и с. 3. Блок-диаграмма трансформного разлома океанической

литосферы

Вулканы

Перемятые

Континентальная

литосфера

Магматические интрузии

Плавление

Рис. 2. Схематический разрез зоны пододвигания океанической литосферы

под континентальную

Литосфера - это оболочка Земли, объединяющая земную кору и часть верхней мантии. Характерным признаком литосферы является то, что в нее входят породы в твердом кристаллическом состоянии и она обладает жесткостью и прочностью. Вниз по разрезу от поверхности Земли наблюдается рост температуры. Расположенная под литосферой пластичная оболочка мантии - астеносфера, в которой при высоких температурах вещество частично расплавлено, и вследствие этого в отличие от литосферы астеносфера не обладает прочностью и может пластично деформироваться, вплоть до способности течь даже под действием очень малых избыточных давлений (рис. 2, 3). В свете современных представлений, согласно теории тектоники литосферных плит, установлено, что литосферные плиты, которые слагают внешнюю оболочку Земли, образуются за счет остывания и полной кристаллизации частично расплавленного вещества астеносферы, подобно тому, как это происходит, например, на реке при замерзании воды и образовании льда в морозный день.

Следует отметить, что слагающий верхнюю мантию лерцо-лит обладает сложным составом, в связи с чем вещество астеносферы, находясь в твердом состоянии, механически

ослаблено настолько, что способно проявлять ползучесть. Это показывает, что астеносфера в масштабах геологического времени ведет себя как вязкая жидкость. Таким образом, литосфера способна к движению относительно нижней мантии за счет ослабленности астеносферы. Важным фактом, подтверждающим возможность перемещения литосферных плит, является то, что астеносфера выражена глобально, хотя ее глубина, мощность и физические свойства варьируют в широких пределах. Мощность литосферы меняется от нескольких километров под рифтовыми долинами срединных океанических хребтов до 100 км под периферией океанов, а под древними щитами мощность литосферы достигает 300-350 км.

ГЕОЛОГИИ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗЕМЛЕ.

Геология - наука о Земле.

Форма и размеры Земли.

Физические свойства Земли.

Внутреннее строение Земли.

1. Геология.

Геология - наука о Земле. Она изучает состав, строение и за­кономерности развития Земли. Современная геология - комплексная наука, объединяющая несколько взаимосвязанных между собой дис­циплин (ветвей геологии). Все составляющие современную геоло­гию дисциплины имеют свои объекты и методы познания Земли.

В настоящее время уровень развития этой дисциплины такой, что ее подразделяют на ряд самостоятельных научных отраслей.

1. Геохимия - изучает химический состав земной коры, законы распределения и перемещения химических элементов и их изото­пов.

2. Минералогия - рассматривает природные химические соеди­нения - минералы, изучает физико-химические свойства и процес­сы, связанные с их образованием в земной коре.

3. Петрография - описывает состав и строение горных пород - закономерных скоплений минералов, слагающих земную кору, формы их залегания, происхождение и размещение.

4. Динамическая геология - рассматривает процессы, происхо­дящие в недрах планеты и на ее поверхности (землетрясения, вул­канизм, деятельность ветра, моря, рек, ледников и т.д.)

5. Историческая геология - производит восстановление про­шлого, что очень важно для поисков различных полезных ископае­мых.

6. Геофизика - наука, использующая различные физические ме­тоды исследования глубоких недр Земли.

7. Гидрогеология - изучает подземные воды, содержащиеся в недрах нашей планеты.

8. Инженерная геология - наука изучающая грунты, геологиче­ские и инженерно-геологические процессы, влияющие на условия строительства и эксплуатации сооружений и мелиоративных сис­тем.

Наиболее полно в настоящее время изучены поверхностные слои Земли. Один из основных методов исследования верхней поверхности земной коры - метод полевых геологических съемок. Суть ме­тода - тщательные полевые исследования современных геологиче­ских процессов, естественных выходов горных пород уклонах реч­ных долин, оврагов и т.д. Изучаются состав горных пород, характер их залегания, ископаемые остатки организмов и др. Изучая земную кору, необходимо учитывать какой была раньше и каким изменени­ям подверглась. С этой целью ученые предложили сравнительно-литологический метод, основанный на представлении о необрати­мом и направленном процессе развития Земли, на представлении об эволюции условий осадконакопления в истории Земли.

Более глубокие слои земной коры и Земли в целом изучают в основном косвенными методами - геофизическими .

К геофизическим методам относятся: сейсмический, гравимет­рический, магнитометрические и другие.

Сейсмический метод позволяет по изменению скорости прохождения сейсмических волн, возникающих при землетрясениях изучать состав и свойства глубоких слоев Земли.

Гравиметрический метод основан на изучении распределения на поверхности Земли силы тяжести. При теоретических расчетах сила тяжести Земли принимается однородной.

Магнитометрический метод основан на изучении изменений магнитного поля Земли в различных ее участках в зависимости от состава и строения земной коры.

2. Форма и размеры Земли

Земля - одна из планет обращающихся вокруг солнца. Земля имеет форму геоида, который приближенно можно определить как шар, сплюснутый на полюсах. Поверхность Земли превышает 510 млн. км. На поверхности Земли имеются крупные неровности рельефа - глубочайшие океанические впадины (Марианская впади­на в Тихом океане, глубина более 11034 м) высочайшие горные системы и хребты (наивысшая точка в Гималаях - пик Джомолунгма - 8848 м).

Форма и размеры Земли не остаются постоянными. Глубинное сжатие приводит к тому, что ее радиус уменьшается примерно на 5 см в столетие, что вызывает сокращение объема Земли.

Скорость вращения Земли также изменяется, при уменьшении объема Земли она увеличивается. На поверхности Земли материки и океаны распределены неравномерно. Если для всей планеты пло­щадь океана составляет 70,8 %, а суши 29,2 %, то для северного по­лушария - 61 и 39 % соответственно, а для южного - 81 и 19%.

Как известно, Земля состоит из нескольких оболочек. Самая внешняя, газообразная оболочка Земли называется атмосферой . Ее состав: азота - 70,08 %, кислорода - 23,95 %, аргона - 0,93 %, угле­кислоты - 0,09 %, других газов - 0,01 %.

Атмосфера находится в постоянном движении, зависящем от деятельности Солнца, распределения континентов и океанов на по­верхности Земли.

Атмосфера удерживает солнечное тепло, в ней формируются погодные климатические условия. Режим атмосферы крайне из­менчив. Это мы ощущаем ежедневно в виде изменений погоды.

Гидросфера - это прерывистая водная оболочка земного шара представляющая собой совокупность океанов, морей, рек, озер и ледников.

Воды гидросферы разнородны по химическому составу и свой­ствам. Они встречаются в жидком (вода), твердом (лед) и газооб­разном (пар) состояниях.

Литосфера является сплошной твердой оболочкой Земли. Лито­сфера неоднородна по своей мощности и составу. Под дном миро­вого океана толщина литосферы уменьшается, а под возвышенно­стями увеличивается. По составу литосфера представлена 3-мя го­ризонтами:

Осадочный слой - мощностью до 1,5 км, плотность вещест­ва - 2,5 гр на 1 см 3 , породы представлены современными отложе­ниями (осадочными, магматическими). Продукт горных пород - результат деятельности поверхностных процессов (экзогенные).

Гранитный слой - мощность 10-50 км, плотность вещества -2,6-2,7 гр на 1 см 3 , представлен горными породами магматического цикла, имеющими кислый химический состав.

Базальтовый слой - мощность около 50 км, плотность 3,2-3,5 гр на 1 см 3 , представлен магматическими породами ультраос­новного состава.

Биосфера - сфера распространения живых существ.

При изучении поверхности Земли оказалось, что живое ве­щество почти сплошной пеленой покрывает земной шар. С глуби­ной отмечается постепенное затухание жизни.

Наибольшие границы распространения имеют бактерии и их споры.

Они способны жить в условиях высоких и очень низких темпе­ратур и давлений.

3. Физические свойства Земли.

К физическим свойствам Земли относятся: сила тяжести, плотность, магнетизм и тепловые свойства.

Сила тяжести. Изменение силы тяжести на поверхности Земли определяется ее строением и формой: сила тяжести больше в по­лярной области и меньше в экваториальной. Ускорение силы тяже­сти постепенно уменьшается от полюсов - к экватору на 0,5 %.

Плотность Земли. Средняя плотность земной коры 2,7 г/см 3 , средняя плотность Земли 5,52 г/см 3 .

Магнитные свойства Земли (магнетизм). Земля - гигантский магнит. Магнитное поле на поверхности Земли двух типов: пере­менное и постоянное. Переменное поле Земли связано с излучени­ем Солнца, постоянное магнитное поле обязано своим происхожде­нием скорее всего сложным процессам, протекающим в ядре Земли и на границе ядра и мантии. Магнитные свойства горных пород не­одинаковы и изменяются в значительных пределах. Наибольшей магнитной восприимчивостью обладают руды железа, титана, ни­келя и кобальта, а также породы, богатые ими.

Основные магнитные показатели Земли:

1. Магнитное склонение - определяют как угол, на который от­клоняется стрелка от географического меридиана. Склонение мо­жет быть восточным и западным. Соединяя точки с одинаковым склонением строят изогоны. Карты изогон определяют склонение в любой точке Земли.

2. Магнитное склонение - это угол наклона магнитной стрелки к горизонту. Различают Южное и Северное наклонение магнитной стрелки.

Под тепловыми свойствами понимают количество тепловой энергии поступающей на Землю. Тепловую энергию Земли подраз­деляют на: 1) внешнюю; 2) внутреннюю.

Внешняя тепловая энергия - это преобладающее поступление тепла (90 %), которое определяет температуру литосферы.

Источник тепла - источник внешней энергии - солнечная лучи­стая энергия.

Объем поступления тепла определяется энергией на единицу площади. (Энергия от поступления тепла солнца в эквиваленте со­ставляет энергию работы ДнепроГЭСа за год).

Внутренняя энергия определяется радиоактивным распадом элементов внутри Земли.

Составляет около 10 % всего Земного тепла и влияет в основ­ном на структуру ядра и мантии.

Параметры, определяющие тепловой режим.

Геотермический градиент - это температура, на которую по­вышается температура слоя Земли с увеличением глубины на 100 м

Геотермическая ступень - глубина, при которой происходит повышение температуры Земли на 1 С.

Величина геометрического градиента и геотермической ступе­ни зависят от теплопроводности пород, геологического строения местности и ряда других причин.

4. Внутреннее строение Земли

Понятие земная кора сложилось еще в начале XIX века. Раньше считали, что Земля представляет собой на определенном этапе раз­вития расплавленное тело, покрытое сверху тонкой остывшей обо­лочкой - корой. Наименование верхней сферы Земли «земная кора» сохранилась до сего дня. В настоящее время под земной корой по­нимают толщу горных пород, располагающуюся выше поверхно­сти.

Земная кора с поверхности сложена осадочными горными по­родами (глины, пески и известняки).

Основными структурами земной коры, или структурами перво­го порядка, являются континенты и океаны. Для каждой из этих двух структур характерен свой тип земной коры. Для первых - кон­ тинентальный, или материковый, для вторых - океанический .

Материковый тип земной коры. Этот тип коры присущ матери­кам и материковой отмели. Мощность материковой коры 20-80 км.

Океанический тип земной коры. Состоит из осадочного и базальтового слоев. Мощность коры 5-7 км, реже 10-12 км. Океа­нический тип земной коры свойственен ложу океана.

Ниже земной коры располагается мантия . Она располагается до глубины 2900 км. Состав и строение мантии неоднородны как в горизонтальном, так и вертикальных направлениях. Верхняя ман­тия является самой активной частью оболочки. Она имеет важное значение в формировании земной коры и образовании месторождений. За счет выплавления веществ из нее формируются магматиче­ские горные породы и связанные с ними полезные ископаемые зем­ной коры.

Ядро Земли . Радиус земного ядра равен 3470 км. Ядро слоисто. В нем выделяют слой Е, протяженность от 2900 до 4980 км в глу­бину (внешнее ядро), слой В - с глубины 5120 км. до центра Земли (внутреннее ядро или ядрышко) и слой Р - между 4980 и 5120 км (промежуточная зона).

Ядро обладает хорошей электропроводностью и высокой плот­ностью. Предполагают, что оно сложено железом и никелем, хотя мнения ученых расходятся. Некоторые из них считают, что внеш­нее ядро состоит из жидкого металла, а внутреннее - из твердого.

Нижние слои мантии и ядро практически не изучены. На осно­вании изучения химических свойств поверхности Земли нельзя сделать выводы о строении нижних слоев, поэтому имеются только предположения, пока их два:

Для каждой геосферы характерен особый химический состав.

Изменение физических свойств во внутренних зонах Земли объясняется не особым химическим составом этих зон, а резко из­мененными свойствами веществ, возникающими внутри Земли при огромных давлениях.

R - земного ядра равен 3470 км.

Ядро Земли, полностью лишено каких бы то ни было химиче­ских свойств. Это по определению А.Ф. Капустинского, «зона ну­левого химизма» - здесь химические реакции не осуществимы в связи с полным разрушением электронных оболочек атомов вслед­ствие огромных давлений.

Для ядра характерны: высокие электро и теплопроводность, а также постоянная температура на всем его протяжении.

В ХХ веке путем многочисленных исследований человечество раскрыло тайну земных недр, строение земли в разрезе стало известно каждому школьнику. Для тех, кто еще не знает, из чего состоит земля, каковы ее основные слои, их состав, как называется самая тонкая часть планеты, мы перечислим ряд значимых фактов.

Вконтакте

Форма и размеры планеты Земля

Вопреки всеобщему заблуждению наша планета не круглая . Ее форма называется геоид и представляет собой слегка сплюснутый шар. Места, у которых земной шар сдавлен, называются полюсами. Через полюса проходит ось земного вращения, наша планета совершает один оборот вокруг нее за 24 часа — земные сутки.

Посередине планету опоясывает – воображаемая окружность, разделяющая геоид на Северное и Южное полушария.

Кроме экватора, существуют меридианы — окружности , перпендикулярные экватору и проходящие через оба полюса. Один из них, проходящий через Гринвичскую обсерваторию, называют нулевым – он служит точкой отсчета географической долготы и часовых поясов.

К основным характеристикам земного шара можно отнести:

• диаметр (км.): экваториальный – 12 756, полярный (у полюсов) – 12 713;
• длина (км.) экватора – 40 057, меридиана – 40 008.

Итак, наша планета представляет собой своеобразный эллипс — геоид, вращающийся вокруг своей оси проходящей через два полюса – Северный и Южный.

Центральная часть геоида опоясана экватором – окружностью разделяющей нашу планету на два полушария. Для того, чтобы определить, каков радиус земли, используют половинные значения его диаметра у полюсов и экватора.

А теперь о том из чего состоит земля, какими оболочками она покрыта и каково строение земли в разрезе .

Земные оболочки

Основные оболочки земли выделяют в зависимости от их содержимого. Так как наша планета имеет форму шара, ее оболочки, удерживаемые силой тяжести, называются сферами. Если посмотреть на строение земли в разрезе, то можно увидеть три сферы:

По порядку (начиная от поверхности планеты) они располагаются следующим образом:

1. Литосфера – твердая оболочка планеты, включающая минеральные слои земли.
2. Гидросфера – содержит водные ресурсы — реки, озера, моря и океаны.
3. Атмосфера – представляет собой воздушную оболочку, окружающую планету.

Кроме того, выделяют и биосферу включающую в себя все живые организмы, которые заселяют другие оболочки.

Важно! Многие ученые население планеты относят к отдельной обширной оболочке под названием антропосфера.

Земные оболочки – литосфера, гидросфера и атмосфера – выделены по принципу объединения однородной составляющей. В литосфере – это твердые породы, почва, внутреннее содержимое планеты, в гидросфере – вся ее , в атмосфере – весь воздух и другие газы.

Атмосфера

Атмосфера – газовая оболочка, в ее состав входят : , азот, углекислый, газ, пыль.

1. Тропосфера – верхний слой земли, содержащий большую часть земного воздуха и простирающийся от поверхности на высоту от 8-10 (у полюсов) до 16-18 км (у экватора). В тропосфере образуются облака и различные воздушные массы.
2. Стратосфера — слой, в котором содержание воздуха значительно ниже, чем в тропосфере. Его толщина в среднем составляет 39-40 км. Начинается этот слой с верхней границы тропосферы и заканчивается на высоте около 50 км.
3. Мезосфера – слой атмосферы, простирающийся с 50-60 по 80-90 км над земной поверхностью. Характеризуется устойчивым понижением температуры.
4. Термосфера – расположена в 200-300 км от поверхности планеты, отличается от мезосферы ростом температуры по мере увеличения высоты.
5. Экзосфера – начинается с верхней границы, лежащей ниже термосферы, и постепенно переходит в открытый космос, для нее характерно низкое содержание воздуха, высокая солнечная радиация.

Внимание! В стратосфере на высоте порядка 20-25 км находится тонкий слой озона, предохраняющий все живое на планете от губительных для него ультрафиолетовых лучей. Без него все живое бы очень скоро погибло.

Атмосфера – земная оболочка, без которой жизнь на планете была бы невозможна.

Она содержит в себе необходимый для дыхания живых организмов воздух, определяет подходящие погодные условия, защищает планету от негативного влияния солнечной радиации.

Атмосфера состоит из воздуха, в свою очередь воздух приблизительно на 70% состоит из азота, 21% — кислород, 0,4% углекислый газ и остальные редкие газы.

Кроме этого, в атмосфере есть важный озоновый слой, примерно на высоте 50 км.

Гидросфера

Гидросфера — все жидкости на планете.

Данная оболочка по месторасположению водных ресурсов и степени их солености включает:

• мировой океан – огромное пространство занятое соленой водой и включающее в себя четыре и 63 моря;
• поверхностные воды континентов – пресноводные, а также изредка солоноватые водоемы. Подразделяются по степени текучести на водоемы с течением – реки на и водоемы со стоячей водой — озера, пруды, болота;
• подземные воды – находящиеся под земной поверхностью пресные воды. Глубина их залегания колеблется от 1-2 до 100-200 и более метров.

Важно! Огромное количество пресной воды на настоящее время находится в виде льда – на сегодняшний день в зонах вечной мерзлоты в виде ледников, огромных айсбергов, постоянного не тающего снега, содержится около 34 млн. км3 запасов пресной воды.

Гидросфера – это, прежде всего , источник пресной питьевой воды, один из основных климатообразующих факторов. Водные ресурсы используются в качестве путей сообщения и объектов туризма и рекреации (отдыха).

Литосфера

Литосфера — это твердые (минеральные) слои земли. Толщина данной оболочки составляет от 100 (под морями) до 200 км (под континентами). Литосфера включает в себя земную кору и верхнюю часть мантии.

То, что расположено ниже литосферы, является непосредственно внутренним строением нашей планеты.

Плиты литосферы преимущественно состоят из базальта, песка и глины, камня, а также грунтового слоя.

Схема строения земли вместе с литосферой представлена следующими слоями:

• земная кора — верхний, состоящий из осадочных, базальтовых, метаморфических пород и плодородной почвы. В зависимости от места нахождения, различают континентальную и океаническую кору;
• мантия – находится под земной корой. Весит около 67% от общей массы планеты. Мощность данного слоя составляет около 3000 км. Верхний слой мантии вязкий, залегает на глубине 50-80 км (под океанами) и 200-300 км (под материками). Нижние слои более твердые и плотные. В состав мантии входят тяжелые железистые и никелевые материалы. Процессами, происходящими в мантии, обусловлены многие явления на поверхности планеты (сейсмические процессы, извержение вулканов, формирование месторождений);
• Центральную часть земли занимает ядро, состоящее из внутренней твердой и наружной жидкой части. Толщина внешней части составляет около 2200 км, внутренней – 1300 км. Расстояние от поверхности до ядра земли составляет около 3000-6000 км. Температура в центре планеты составляет около 5000 Сº. По мнению многих ученых, ядро земли по составу представляет собой тяжелый железно-никелевой расплав с примесью других, сходных по свойствам с железом, элементов.

Важно! Среди узкого круга ученых, помимо классической модели с полурасплавленным тяжелым ядром, существует и теория о том, что в центре планеты располагается внутреннее светило, окруженное со всех сторон внушительным слоем воды. Данная теория, кроме небольшого круга приверженцев в научной среде, нашла широкое распространение в фантастической литературе. Примером может послужить роман В.А. Обручева «Плутония», повествующий об экспедиции русских ученых к полости внутри планеты с собственным небольшим светилом и миром вымерших на поверхности животных и растений.

Такая общепринятая схема строения земли, включающая земную кору, мантию и ядро, с каждым годом все более и более совершенствуется и уточняется.

Многие параметры модели с совершенствованием методов исследований и появлением нового оборудования будут обновлены еще не раз.

Так, например, для того, чтобы узнать точно, сколько километров до внешней части ядра, понадобятся еще годы научных изысканий.

На данный момент наиболее глубокая шахта в земной коре, прорытая человеком составляет около 8 километров, поэтому изучение мантии, а тем более ядра планеты, возможно лишь в теоретическом разрезе.

Послойное строение Земли

Изучаем из каких слоев состоит Земля внутри

Вывод

Рассмотрев строение земли в разрезе, мы убедились в том, насколько интересна и сложна наша планета. Изучение ее строения в будущем поможет человечеству разобраться в загадках природных явлений, позволит более точно прогнозировать разрушительные стихийные бедствия, открывать новые, пока не разработанные месторождения полезных ископаемых.

Астрономы изучают космос, получают инфор-мацию о планетах и звездах несмотря на их огром-ную удалённость. При этом на самой Земле не меньше тайн, чем во Вселенной. И сегодня учёные не знают, что внутри нашей планеты. Наблюдая, как выливается лава при извержении вулкана, можно подумать, что внутри Земля тоже расплав-ленная. Но это не так.

Ядро. Центральная часть земного шара называ-ется ядром (рис. 83). Его радиус составляет около 3 500 км. Учёные полагают, что внешняя часть ядра находится в расплавленно-жидком состоя-нии, а внутренняя — в твёрдом. Температура в нём достигает +5 000 °С. От ядра к поверхности Земли температура и давление постепенно снижаются.

Мантия. Ядро Земли покрыто мантией. Её толща составляет приблизительно 2 900 км. Мантию, как и ядро, никто никогда не видел. Но предполага-ют, что чем ближе к центру Земли, тем давление в ней выше, а температура — от нескольких сотен до -2 500 °С. Считают, что мантия твёрдая, но одно-временно раскалённая.

Земная кора. Поверх мантии наша планета покрыта корой. Это верхний твёрдый слой Зем-ли. По сравнению с ядром и мантией земная кора очень тонкая. Её толща составляет лишь 10-70 км. Но это та земная твердь, по которой мы ходим, те-кут реки, на ней построены города.

Земная кора образована различными вещества-ми. Она состоит из минералов и горных пород. Не-которые из них вам уже известны (гранит, песок, глина, торф и др.). Минералы и горные породы раз-личаются по цвету, твёрдости, строению, темпе-ратуре плавления, растворимости в воде и другим свойствам. Многие из них человек широко исполь-зует, например как топливо, в строительстве, для получения металлов. Материал с сайта

Гранит

Песок

Торф

Верхний слой земной коры видно в отложениях на склонах гор, крутых берегах рек, карьерах (рис. 84). А заглянуть в глубь коры помогают шахты и буровые скважины, которые используют для добычи полез-ных ископаемых, например, нефти и газа.

Земля является объектом исследования значительного количества наук о Земле. Изучение Земли как небесного тела принадлежит к области , строение и состав Земли изучает геология, состояние атмосферы - метеорология, совокупность проявлений жизни на планете - биология. География дает описание особенностей рельефа поверхности планеты - океанов, морей, озер и год, материков и островов, гор и долин, а также поселения и обществ. образования: города и села, государства, экономические районы и т.д.

Планетарные характеристики

Земля вращается вокруг звезды Солнце по эллиптической орбите (очень близкой к круговой) со средней скоростью 29765 м / с на среднем расстоянии 149 600 000 км за период, что примерно равно 365,24 суток. Земля имеет спутник - , которая вращается вокруг Солнца на среднем расстоянии 384400 км. Наклон земной оси к плоскости эклиптики составляет 66 0 33"22"". Период обращения планеты вокруг своей оси 23 ч 56 мин 4,1 с. Вращение вокруг своей оси вызывает смену дня и ночи, а наклон оси и обращение вокруг Солнца - смену времен года.

Форма Земли - геоид. Средний радиус Земли составляет 6371,032 км, экваториальный - 6378,16 км, полярный - 6356,777 км. Площадь поверхности земного шара 510 млн км ², объем - 1,083 · 10 12 км ², средняя плотность - 5518 кг / м ³. Масса Земли составляет 5976.10 21 кг. Земля имеет магнитное и тесно связанное с ним электрическое поля. Гравитационное поле Земли обуславливает ее близкую к сферической форму и существование атмосферы.

По современным космогоническим представлениям Земля образовалась примерно 4,7 млрд лет назад из рассеянного в протосолнечной системе газового вещества. В результате дифференциации вещества Земли, под действием своего гравитационного поля, в условиях разогрева земных недр возникли и развились различные по химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам оболочки - геосферы: ядро (в центре), мантия, земная кора, гидросфера, атмосфера, магнитосфера. В составе Земли преобладает железо (34,6%), кислород (29,5%), кремний (15,2%), магний (12,7%). Земная кора, мантия и внутренняя часть ядра твердые (внешняя часть ядра считается жидкой). От поверхности Земли к центру возрастают давление, плотность и температура. Давление в центре планеты 3.6 · 10 11 Па, плотность примерно 12,5 · 10 ³ кг / м ³, температура в диапазоне от 5000 до 6000 ° C . Основные типы земной коры - материковый и океанический, в переходной зоне от материка к океану развита кора промежуточного строения.

Форма Земли

Фигура Земли - это идеализация, с помощью которой пытаются описать форму планеты. В зависимости от цели описания используют различные модели формы Земли.

Первое приближение

Наиболее грубой форме описания фигуры Земли при первом приближении - есть сфера. Для большинства проблем общего землеведения этого приближения представляется достаточным, чтобы использовать в описании или исследовании некоторых географических процессов. В таком случае отвергают Сплющенность планеты при полюсах как несущественное замечание. Земля имеет одну ось вращения и экваториальную плоскость - плоскость симметрии и плоскости симметрии меридианов, что характерно отличает ее от бесконечности множеств симметрии идеальной сферы. Горизонтальная структура географической оболочки характеризуется определенной поясностью и определенной симметрией относительно экватора.

Второе приближение

При большем приближении фигуру Земли приравнивают к эллипсоида вращения. Эта модель, характеризующаяся выраженной осью, экваториальной плоскостью симметрии и меридиональными плоскостями, используется в геодезии для вычисления координат, построение картографических сетей, расчетов и т.д. Разница полуосей такого эллипсоида составляет 21 км, большая ось - 6378,160 км, малая - 6356,777 км, эксцентриситет - 1 / 298, 25. Положение поверхности легко может быть теоретически рассчитано, но его невозможно определить экспериментально в натуре.

Третье приближение

Так как экваториальный сечение Земли также эллипс с разностью длин полуосей в 200 м и эксцентриситетом 1 / 30000, третьей моделью выступает трехосный эллипсоид. В географических исследованиях эта модель почти не используется, она лишь свидетельствует о сложной внутреннее строение планеты.

Четвертое приближение

Геоид - это эквипотенциальные поверхность, совпадающая со средним уровнем Мирового океана, является геометрическим местом точек пространства, имеющих одинаковый потенциал силы тяжести. Такая поверхность имеет неправильную сложную форму, т.е. не является плоскостью. Уровневая поверхность в каждой точке перпендикулярна к отвеса. Практическое значение и важность этой модели состоит в том, что только с помощью отвеса, уровня, нивелира и других геодезических приборов можно проследить положение уровневых поверхностей, т.е. в нашем случае, геоида.

Океан и суша

Генеральная особенность строения земной поверхности заключается в распределении на материки и океаны. Большая часть Земли занята Мировым океаном (361,1 млн. км ² 70,8%), суша составляет 149,1 млн. км ² (29,2%), и образует шесть материков (Евразию, Африку, Северную Америку, Южную Америку, и Австралию) и острова. Она поднимается над уровнем мирового океана в среднем на 875 м (наибольшая высота 8848 м - гора Джомолунгма), горы занимают свыше 1 / 3 поверхности суши. Пустыни покрывают примерно 20% поверхности суши, леса - около 30%, ледники - свыше 10%. Амплитуда высот на планете достигает 20 км. Средняя глубина мирового океана примерно равна 3800 м (наибольшая глубина 11020 м - Марианский желоб (впадина) в Тихом океане). Объем воды на планете составляет 1370 млн км ³, средняя соленость 35 ‰ (г / л).

Геологическое строение

Геологическое строение Земли

Внутреннее ядро, предположительно, имеет диаметр 2600 км и состоит из чистого железа или никеля, внешнее ядро толщиной 2250 км из расплавленного железа или никеля, мантия около 2900 км толщиной состоит преимущественно из твердых горных пород, отделенная от земной коры поверхностью Мохоровича. Кора и верхний слой мантии образуют 12 основных подвижных блоки, некоторые из них несут континенты. Плато постоянно медленно движутся, это движение называется тектоническим дрейфом.

Внутреннее строение и состав «твердой» Земли. 3. состоит из трех основных геосфер: земной коры, мантии и ядра, которое, в свою очередь, делится на ряд слоев. Вещество этих геосфер разная по физическим свойствам, состоянием и минералогическим составом. В зависимости от величины скоростей сейсмических волн и характера их изменения с глубиной «твердую» Землю делят на восемь сейсмических слоев: А, В, С, D ", D ", Е, F и G. Кроме того, в Земле выделяют особо прочный слой литосферу и следующий, размягченный слой - астеносферу Шар А, или земная кора, имеет переменную толщину (в континентальной области - 33 км, в океанической - 6 км, в среднем - 18 км).

Под горами кора утолщается, в рифтовых долинах срединно-океанических хребтов почти исчезает. На нижней границе земной коры, - поверхности Мохоровичича, - скорости сейсмических волн возрастают скачкообразно, что связано преимущественно с изменением вещественного состава с глубиной, переходом от гранитов и базальтов в ультраосновных горных пород верхней мантии. Слои В, С, D ", D "входят в мантию. Слои Е, F и G образуют ядро Земли радиусом 3486 км На границе с ядром (поверхности Гутенберга) скорость продольных волн резко уменьшается на 30%, а поперечные волны исчезают, что означает, что внешнее ядро (слой Е, тянется до глубины 4980 км) жидкое Ниже переходного слоя F (4980-5120 км) находится твердое внутреннее ядро (слой G), в котором вновь распространяются поперечные волны.

В твердой земной коре преобладают такие химические элементы: кислород (47,0%), кремний (29,0%), алюминий (8,05%), железо (4,65%), кальций (2,96%), натрий (2,5%), магний (1,87%), калий (2,5%), титан (0,45%), которые в сумме составляют 98,98%. Наиболее редкие элементы: Ро (примерно 2.10 -14 %), Ra (2.10 -10 %), Re (7.10 -8 %), Au (4,3 · 10 -7 %), Bi (9 · 10 -7 %) и т.д.

В результате магматических, метаморфических, тектонических процессов и процессов осадкообразования земная кора резко дифференцирована, в ней протекают сложные процессы концентрации и рассеяния химических элементов, приводящих к образованию различных типов пород.

Считают, что верхняя мантия по составу близка к ультраосновных пород, в которых преобладает О (42,5%), Mg (25,9%), Si (19,0%) и Fe (9,85%). В минеральном отношении здесь царит оливин, меньше пироксенов. Нижнюю мантию считают аналогом каменных метеоритов (хондритов). Ядро 3емли по составу аналогичное железным метеоритам и содержит примерно 80% Fe , 9% Ni , 0,6% Co . На основе метеоритной модели рассчитан средний состав Земли, в котором преобладает Fe (35%), А (30%), Si (15%) и Mg (13%).

Температура является одной из важнейших характеристик земных недр, позволяющих объяснить состояние вещества в различных слоях и построить общую картину глобальных процессов. По измерениям в скважинах температура на первых километрах нарастает с глубиной с градиентом 20 ° C / км. На глубине 100 км, где находятся первичные очаги вулканов, средняя температура чуть ниже температуры плавления горных пород и равна 1100 ° C. При этом под океанами на глубине 100-200 км температура выше, чем во континентами, на 100-200 ° C. Скачок плотности вещества в слое С на глибинв 420 км соответствует давления 1,4 · 10 10 Па и отождествляется с фазовым переходом в оливин, который происходит при температуре примерно 1600 ° C. На границе с ядром при давления 1,4 · 10 11 Па и температуре порядка 4000 ° C силикаты находятся в твердом состоянии, а железо в жидком. В переходном слое F, где железо затвердевает, температура может быть 5000 ° C, в центре 3емли - 5000-6000 ° C, т.е., адекватная темпператури Солнца.

Атмосфера Земли

Атмосфера Земли, общая масса которой 5,15 · 10 15 т, состоит из воздуха - смеси в основном азота (78,08%) и кислорода (20,95%), 0,93% аргона, 0,03% углекислого газа, остальное - это водяной пар, а также инертные и другие газы. Максимальная температура поверхности суши 57-58 ° C (в тропических пустынях Африки и Северной Америки), минимальная - около -90 ° C (в центральных районах Антарктиды).

Атмосфера Земли защищает все живое от губительного воздействия космического излучения.

Химический состав атмосферы Земли : 78,1% - азот, 20 - кислород, 0,9 - аргон, остальные - углекислый газ, водяной пар, водород, гелий, неон.

Атмосфера Земли включает :

• тропосферу (до 15 км)
• стратосферу (15-100 км)
• ионосферу (100 - 500 км).

Между тропосферой и стратосферой размещается переходный слой - тропопауза. В глубинах стратосферы под воздействием солнечного света создается озоновый экран, защищающий живые организмы от космического излучения. Выше - мезо- , термо- и экзосферы.

Погода и климат

Нижний слой атмосферы называется тропосферой. В ней происходят явления, определяющие погоду. Вследствие неравномерного нагрева поверхности Земли солнечной радиацией, в тропосфере непрестанно проходит циркуляция больших масс воздуха. Основными воздушными течениями в атмосфере Земли является пассаты в полосе до 30 ° вдоль экватора и западные ветры умеренного пояса в полосе от 30 ° до 60 °. Другим фактором переноса тепла является система океанических течений.

Вода оказывает на поверхности земли постоянный круговорот. Испаряясь с поверхности вод и суши, при благоприятных условиях водяной пар поднимается вверх в атмосфере, что приводит к образованию облаков. Вода возвращается на поверхность земли в виде атмосферных осадков и стекает к морей и океанов системой год.

Количество солнечной энергии, которую получает поверхность Земли уменьшается с ростом широты. Чем дальше от экватора, тем меньше угол падения солнечных лучей на поверхность, и тем больше расстояние, которое должен пройти луч в атмосфере. Вследствие этого среднегодовая температура на уровне моря уменьшается примерно на 0.4 ° ​​C на один градус широты. Поврехню Земли разделяют на широтные пояса из примерно одинаковым климатом: тропический, субтропический, умеренный и полярный. Классификация климатов зависит от температуры и количества осадков. Наибольшее признание получила классификация климатов Кеппена, по которой выделяют пять широких групп - влажные тропики, пустыня, влажные средние широты, континентальный климат, холодный полярный климат. Каждая из этих групп разделяется на специфические пидрупы.

Влияние человека на атмосферу Земли

Атмосфера Земли испытывает значительное влияние жизнедеятельности человека. Около 300 млн автомобилей ежегодно выбрасывают в атмосферу 400 млн т оксидов углерода, более 100 млн т углеводов, сотни тысяч тонн свинца. Мощные производители выбросов в атмосферу: ТЭС, металлургическая, химическая, нефтехимическая, целлюлозная и другие отрасли промышленности, автотранспорт.

Систематическое вдыхание загрязненного воздуха заметно ухудшает здоровье людей. Газообразные и пылевые примеси могут оказывать воздуху неприятного запаха, раздражать слизистые оболочки глаз, верхних дыхательных путей и тем самым снижать их защитные функции, быть причиной хронических бронхитов и заболеваний легких. Многочисленные исследования показали, что на фоне патологических отклонений в организме (заболевания легких, сердца, печени, почек и других органов) вредное воздействие атмосферного загрязнения проявляется сильнее. Важной экологической проблемой стало выпадение кислотных дождей. Ежегодно при сжигании топлива в атмосферу поступает до 15 млн т двуокиси серы, который, сочетаясь с водой, образует слабый раствор серной кислоты, что вместе с дождем выпадает на землю. Кислотные дожди негативно влияют на людей, урожай, сооружения и т.д.

Загрязнение атмосферного воздуха может также косвенно влиять на здоровье и санитарные условия жизни людей.

Накопление в атмосфере углекислого газа может вызвать потепление климата в результате парникового эффекта. Суть его заключается в том, что слой двуокиси углекислого газа, который свободно пропускает солнечную радиацию к Земле, будет задерживать возвращения в верхние слои атмосферы теплового излучения. В связи с этим в нижних слоях атмосферы повышаться температура, что, в свою очередь, приведет к таянию ледников, снегов, подъема уровня океанов и морей, затопление значительной части суши.

История

Земля образовалась примерно 4540 миллионов лет назад с дискообразной протопланетарном облака вместе с другими планетами Солнечной системы. Формирования Земли в результате аккреции продолжалось 10-20 млн лет. Сначала Земля была полностью расплавленной, но постепенно остыла, и на ее поверхности образовалась тонкая твердая оболочка - земная кора.

Вскоре после образования Земли, примерно 4530 миллионов лет назад, образовалась Луна. Современная теория образования единого естественного спутника Земли утверждает, что это произошло как результат столкновения с массивным небесным телом, которое получило название Тея.
Первичная атмосфера Земли образовалась в результате дегазации горных пород и вулканической активности. Из атмосферы сконденсировавшаяся вода, образовав Мировой океан. Несмотря на то, что Солнце к тому времени светило на 70% слабее, чем сейчас, геологические данные показывают, что океан не замерз, что, возможно, связано с парниковым эффектом. Примерно 3,5 млрд лет назад сформировалось магнитное поле Земли, что защитило ее атмосферу от солнечного ветра.

Образование Земли и начальный этап ее развития (продолжительностью примерно 1,2 млрд лет) относятся к догеологичнои истории. Абсолютный возраст древнейших горных пород составляет свыше 3,5 млрд лет и, начиная с этого момента, ведет отсчет геологическая история Земли, которая делится на два неравных этапа: докембрий, занимающий примерно 5 / 6 всего геологического летоисчисления (около 3 млрд. лет) , и фанерозой, охватывающей последние 570 млн. лет. Около 3-3,5 млрд лет назад в результате закономерной эволюции материи на Земле возникла жизнь, началось развитие биосферы - совокупности всех живых организмов (так называемая живое вещество Земли), которая существенно повлияла на развитие атмосферы, гидросферы и геосферы (по крайней мере в части осадочной оболочки). В результате кислородной катастрофы деятельность живых организмов изменила состав атмосферы Земли, обогатив ее кислородом, что создало возможность для развития аэробных живых существ.

Новый фактор, который оказывает мощное влияние на биосферу и даже геосферу - деятельность человечества, появившееся на Земле после появления в результате эволюции человека менее 3 млн лет назад (единства относительно датировки не достигнуто и некоторые исследователи считают - 7 млн лет назад) . Соответственно, в процессе развития биосферы выделяют образования и дальнейшее развитие ноосферы - оболочки Земли, на которую большое влияние оказывает деятельность человека.

Высокий темп роста населения Земли (численность земного населения составляла 275 млн в 1000 году, 1,6 млрд в 1900 году и примерно 6,7 млрд в 2009 году) и усиление влияния человеческого общества на природную среду выдвинули проблемы рационального использования всех природных ресурсов и охраны природы.