Состав и строение земной коры. Внутреннее строение Земли (ядро, мантия, земная кора)
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.
Главная особенность строения Земли – неоднородность физических свойств и дифференцированность состава вещества по радиусу с обособлением ряда оболочек. Непосредственному наблюдению доступны верхние горизонты земной коры (до глубин 15-20 км), которые вскрыты рудниками, шахтами и буровыми скважинами. Более глубокие зоны Земли исследуют с помощью комплекса геофизических методов (особое значение имеет сейсмический метод).
На основании сейсмических данных выделяют три области Земли.
Земная кора «Сиаль» (слой А по Буллену) – твердая верхняя оболочка Земли. Мощность 5-12 км под водами океанов, 30-40 км в равнинных областях и до 50-75 км в горных районах.
Мантия Земли (Сима) – ниже ЗК до глубины 2900км. Мантия подразделяется на верхнюю В и С (до 900-1000 км) и нижнюю(900-1000 до 2900 км) мантии.
Ядро Земли (Нифе). Выделяют внешнее ядро (Е) до 4980 км, переходный слой 4980-5120 км и внутреннее ядро ниже 5120 км.
ЗК отделяется от мантии достаточно резкой сейсмической границей. Этот раздел называется границей Мохоровичича.
Астеносфера – слой относительно менее плотных пород в слое В верхней мантии. Здесь наблюдается снижение скорости сейсмических волн и повышение электропроводности. Глубины астеносферного слоя различны.
Литосфера – это твердый надастеносферный слой мантии вместе с ЗК.
Земная кора . Выделяют 4 типа: континентальный, океанический, субконтинентальный, субокеанический.
Континентальный тип. Мощность его: равнины (35-40 км), горы (55-70 км). В строении участвуют осадочный слой, гранитный и базальтовый. Осадочный слой представлен осадочными породами. Гранитный – гранитами, гранитомагнитами, метаморфизованными породами. Базальтовый – базальтовыми породами.
Океанический тип, характерный для ложа Мирового океана. Мощность колеблется от 5 до 12 км. Состоит из трех слоев: осадочного (рыхлые морские осадки), базальтового (базальтовые лавы), габбро-серпентинитовым (породы магматические и основного состава).
Субконтинентальный тип. Близок к континентальному. Распространен на окраинах материков и в области островных дуг. Представлен следующими слоями: осадочно-вулканическим (0,5-5 км), гранитным (до 10 км), базальтовым (15-40 км).
Субокеанический тип. Приурочен к котловинам окраинных и внутриконтинентальных морей (Охотское, Японское, Средиземное, Черное и т.д.). По строению близок к океаническому, но отличается от него повышенной мощностью осадочного слоя. В ряде случаев его мощность достигает 10 км.
Мантия . Слой В (слой Гуттенберга) – твердое агрегатное состояние, глубина до 410 км, плотность 4,3 г/см3. Слой С (слой Голицына) – 400-1000 км, выделяется по геофизике. Слой D (нижняя мантия) – D’ (1000-2700 км) и D” (2700-2900 км) имеет высокую плотность, там происходит дифференциация вещества, что сопровождается освобождением большого количества энергии.
Ядро . Слой Е (внеш.ядро) – глубина 2900-4980 км, жидкое агрегатное состояние, плотность 10 г/см3. Слой F (между внешним и внутренним ядром) – 4980-5120 км, твердое агрегатное состояние. Слой G (центральное ядро) – хим.состав Fe 90%, Ni 10%, твердое агрегатное состояние, близкое к плавлению из-за высокого давления, плотность 13-14 г/см3.
Классификация и основные признаки осадочных горных пород
Осадочные горные породы образуются в поверхностной части ЗК в результате разрушения и переотложения ранее существовавших горных пород (песчаник, глина), выпадения осадков из водных растворов (каменная соль, гипс) и жизнедеятельности организмов и растений (коралловые известнякм, уголь).
Осадочные породы менее плотные, чем магматические и метаморфические, часто пористые. Они залегают в виде пластов, толщи их характеризуются слоистостью. Осад.г.п.содержат ископаемые остатки организмов, а некоторые из них целиком состоят из раковин. В осад.г.п.заключено подавляющее большинство скоплений нефти и газа.
Все осадочные горные породы подразделяются на обломочные, глинистые, хемогенные, органогенные и смешанные.
Обломочные осад.г.п.образуются за счет накопления продуктов механического разрушения ранее существовавших пород. Глинистые породы на 50% и более состоят из глинистых минералов и тонкодисперсного материала (<0,01 мм) - пелита. Группу хемогенных составляют породы, образовавшиеся в результате выпадения из истинных и коллоидных водных растворов. Осаждение их чаще всего происходит в лагунах и озерах. В группу органогенных выделяют продукты жизнедеятельности организмов, главным образом, скелетные остатки морских, реже пресноводных беспозвоночных.
Обломочные и глинистые породы . По величине слагающих обломков различают грубообломочные, песчаные, алевритовые и пелитовые обломочные породы.
Глинистые породы занимают промежуточное положение между чисто химическими и обломочными породами. При классификации обломочных пород учитывают также форму обломков (окатанные и неокатанные), а также наличие или отсутствие цементирующего материала. Грубые обломки накапливаются вблизи разрушающихся горных пород. По мере удаления встречаются среднеобломочные (песчаные), мелкообломочные (алевритовые) и тонкообломочные (пелитовые) породы. Из обломочных и глинистых пород наиболее распространены песчаники, алевролиты и глины.
Хемогенные породы . В эту группу включают известняки, каменную соль, гипс и др.мономинеральные породы. Характерная их особенность - отсутствие органических остатков. Образуются они в результате выпадения солей из водных растворов.
Органогенные породы . Представлены известняками-ракушечниками, писчим мелом, а также углями, асфальтом, горючими сланцами и др. Они образуются в результате накопления органических остатков после отмирания животных и растений. В одних породах эти остатки видны не вооруженным глазом. Другие породы, например, писчий мел, сложены твердыми известковыми скелетами микроорганизмов. И, наконец, третьи (угли, асфальты и др) представляют собой горные породы, в которых наряду с минеральной составляющей имеются вещества органического происхождения.
Породы смешанного происхождения . Эта группа пород включает мергели, песчаные и глинистые известняки и др. Такие породы состоят из обломочного и какого-либо другого материала (химического или органического происхождения).
Физические поля Земли
Физические поля, создаваемые планетой в целом и отдельными изолированными телами, определяются совокупностью присущих каждому физическому объекту свойств. Именно поэтому особенно важное значение имеет изучение геофизических полей при исследовании физических свойств горных пород в образцах и массивах.
Гравитационное поле
Природа и характеристики гравитационного поля . Огромная масса Земли является причиной существования сил притяжения, которые воздействуют на все тела и предметы, находящиеся на ее поверхности. Пространство, в пределах которого проявляются силы притяжения Земли, называется полем силы тяжести или гравитационным полем. Оно отражает характер распределения масс в недрах планеты и тесно связано с фигурой Земли. Для каждой точки земной поверхности характерна своя величина силы тяжести; в центре Земли сила тяжести равна нулю.Величина силы тяжести выражается в галах. Характеристики гравитационного поля измеряют с помощью гравиметров, реже маятниковыми приборами.
Среднее значение силы тяжести на поверхности Земли равно 979,7 гал. Величина силы тяжести закономерно возрастает от экватора к полюсам - от 978,04 до 983,24 гал. Для каждой точки земной поверхности в предположении однородности масс может быть вычислена теоретическая величина силы тяжести. Отклонения фактических значений силы тяжести от теоретически рассчитанных, обусловленных неравномерным распределением масс и другими причинами, называют гравитационными аномалиями. Существенной особенностью гравитационного поля Земли является его сравнительное постоянство на определенных интервалах времени. При различных геотектонических процессах, приводящих к перемещению масс и частичной перестройке структуры Земли, происходят изменения и в гравитационном поле. При этом по характеру, направлению и величине изменений элементов поля можно судить об особенностях тектонических процессов и их результатах. Выделяют региональные и локальные аномалии гравитационного поля. Первые занимают площади в десятки и сотни тысяч квадратных километров и отличаются большой интенсивностью (десятки - сотни миллигал). В пределах региональных аномалий проявляются локальные.
Закономерности распределения характеристик гравитационного по ля. Характер гравитационного поля основных структурных элементов земной коры в настоящее время считается установленным. Гравитацион ное поле платформенных областей со спокойным рельефом независимо от возраста кристаллического фундамента однотипно по своему характеру. На платформах фиксируется чередование небольших по площади положительных и отрицательных аномалий интенсивностью в десятки миллигал. Аномалии этого типа обусловлены в основном строением (распределением масс) кристаллического фундамента платформ и более глубоких горизонтов земной коры, расположенных на глубине первых десятков километров. Гравитационное поле горноскладчатых областей отличается неоднородностью и сложным строением, зависящим от возраста (этапа геосинклинального развития).
Изучение гравитационных полей проводится с целью выявления особенностей строения земной коры, выделения крупных тектонических нарушений, тектонического районирования земной коры, установления границ нефтегазоносных, угленосных ирудоносных зон и областей, а также для поисков и разведки месторождений полезных ископаемых (железа, хромитов, меди, полиметаллов, серы, минеральных солей и др.).
Тепловое поле
Природа теплового поля. Тепловой режим Земли весьма сложен, поскольку планета находится во взаимодействии двух противоположно направленных процессов - одновременно поглощает и излучает тепло. Тепловое поле образуется за счет внешних и внутренних источников.Главным источником внешней энергии является солнечное излучение. Лучистая энергия Солнца, получаемая земной поверхностью, составляет в среднем 8,4 Дж/ (см 2 мин).
Источниками внутреннего тепла Земли являются: радиоактивный распад элементов; энергия гравитационной дифференциации вещества; остаточное тепло, сохранившееся со времен формирования планеты; экзотермический эффект полиморфных, электронных, фазовых переходов и химических реакций; тепло, связанное с действием нейтрино; упругая энергия, высвобождаемая землетрясениями; теплота, обусловленная процессами приливного трения, и др. В настоящее время приближенно оценены величины внутренней теплоты Земли и установлено, что наиболее важным из них является радиоактивность химических элементов Земли, основная часть которых сосредоточена в верхней части планеты.
Строение теплового поля . Земную кору по температурным условиям делят на верхнюю (гелиотермическую) и нижнюю (геотермическую) зоны. В верхней зоне (до 30 - 40 м) сказывается влияние проникающего солнечного тепла. Температурные условия геотермической зоны определяются глубинным теплом. Среди колебаний температуры, вызываемых солнечной.радиацией, различают суточные, сезонные, годовые и вековые. Чем больше период колебаний поверхностных температур, тем глубже эти колебания проникают в недра.
Практическое использование тепла Земли. В современных условиях тепловая энергия недр становится конкурентоспособной с традиционными источниками энергии (уголь, нефть, газ, ядерное топливо). Кроме того, разработки геотермальных месторождений (термальные воды). Изучение теплового поля Земли необходимо также для прогнозирования условий подземной разработки угольных и рудных месторождений. Наконец, тепловой режим недр является индикатором месторождений горючих полезных ископаемых исульфидных руд. Поэтому параметры аномального теплового поля используются при поисково-разведочных работах.
Магнитное поле.
Природа, строение и характеристики магнитного поля . Вокруг земного шара и внутри него существует магнитное поле. По данным космических исследований, оно простирается за пределы планеты на расстояние, превышающее десятикратный радиус Земли, образуя магнитосферу.
Магнитное поле Земли влияет на ориентировку ферромагнитных минералов (магнетита, ильменита, титаномагнетита, гематита, пирротина) в горных породах. Это влияние осуществляется, когда твердые ферромагнитные минералы плавают в расплаве при застывании изверженных пород, или в растворе при образовании осадочных пород. Сильнее всего реагируют на магнитное поле Земли ультраосновные и основные изверженные породы (базальты, габбро, перидотиты, серпентиниты) и красноцветные континентальные пески осадочного генезиса. На основании изучения ориентировки ферромагнитных минералов (но только в совершенно неизмененных и недислоцированных породах) можно определить направление магнитного поля в период образования соответствующей горной породы. Эти исследования палеомагнетизма, т.е. "ископаемой" намагниченности пород, в настоящее время приобретают большое значение.
По магнитным свойствам горные породы существенно различаются и могут быть разделены на высокомагнитные, слабомагнитные и практически немагнитные. Как правило, с уменьшением основности пород ослабевают их магнитные свойства, которые по этому признаку могут быть составлены в следующий ряд: ультраосновные, основные, средние и кислые магматические образования, терригенные, органогенные и гидрохимические осадочные породы.
Поскольку породы с повышенными магнитными свойствами обычно образуют изолированные тела и пласты среди слабомагнитных пород, морфология их выделения определяет структуру и форму магнитных аномалий. Региональные и локальные магнитные аномалии отличаются друг от друга порядками, интенсивностью, градиентами, площадями, протяженностью, очертаниями в плане и вертикальном разрезе.
К числу крупнейших в мире локальных магнитных аномалий принадлежит Курская, обусловленная сравнительно неглубоким залеганием железистых кварцитов. Здесь значения магнитного склонения меняются от 10 до 180°, а наклонения от 40 до 90°.
Изучение аномального магнитного поля, получаемого в результате аэромагнитных, гидромагнитных и наземных съемок, в настоящее время широко используется для исследования строения земной коры, для поисков и разведки разнообразных полезных ископаемых.
Тесно связано с магнетизмом Земли ее естественное электрическое (теллурическое) поле, которое из всех физических полей планеты менее всего изучено. В настоящее время имеется слишком мало сведений о структуре и временных вариациях электрического поля. Не установлены с достаточной достоверностью внешние и внутренние факторы, обусловливающие электрическое поле.
Предполагается (Т.Рикитаки), что помимо искусственных нарушений почти все флуктуации теллурических токов вызываются электромагнитной индукцией внутри Земли за счет изменений во времени внешнего магнитного поля. К факторам, вызывающим теллурические токи, относятся" также: стратосферно-электрические. процессы (колебания ионосферы, полярные сияния).; погранично-электрические процессы (фильт-рационно-электрические процессы, конвекционные токи в нижних слоях атмосферы, грозовые процессы и т.д.); литосферно-электрические процессы (контактные напряжения, термоэлектрические и электрохимические процессы); геомагнитные вариации, вызванные океаническими приливными токами; связанные с землетрясениями; с вулканической активностью; глубинные термодинамические процессы.
В настоящее время на основе использования естественного электрического поля Земли разработаны геофизические методы изучения внутренней структуры земной коры, поисков и разведки месторождений полезных ископаемых.
Типы залегания осадочных пород (согласное, несогласное, горизонтальное, моноклинальное, складчатое, клиноформы)
Первичной формой залегания осадочных горных пород является слой, или пласт. Пластом (слоем) называется геологическое тело, сложенное однородной осадочной породой, ограниченное двумя параллельными поверхностями напластования, имеющее примерно постоянную мощность и занимающее значительную площадь. Ряд слоев или пластов, перекрывающих (налегающих) и подстилающих друг друга и объединяющихся по какому-либо признаку (геологическому возрасту, происхождению, петрографическому признаку и т.д.), называют свитой . Слои горных пород можно наблюдать в обнажениях. Обнажением слоев (пластов) горных пород называется выход их на поверхность Земли.
Поверхность, ограничивающая пласт снизу, называется подошвой , сверху - кровлей . Наиболее выдержаны по мощности на больших пространствах пласты осадочных морских пород. Менее выдержанной мощностью пластов отличаются континентальные отложения, для которых характерны также линзовидные и гнездообразные формы залегания.
Первоначальное залегание осадков в большинстве случаев почти горизонтальное. Всякое отклонение пластов от первоначального горизонтального залегания называется дислокацией (нарушением). Дислокации бывают без разрыва сплошности слоев (пликативные дислокации ) и с разрывом (дизъюнктивные дислокации ). Все дислокации являются результатом движений в земной коре.
При согласном залегании пород границы пластов практически параллельны. Такое положение границ сохраняется и при наклонном и складчатом залегании пластов. Характерной особенностью согласного залегания, также является последовательное залегание более молодых пластов на более древних. Формирование пород происходило в условиях последовательного погружения и непрерывного накопления осадков.
При более сложном геологическом развитии породы могут оказаться в условиях несогласного залегания . Особенностью этого вида залегания является наличие в разрезе так называемой поверхности размыва (несогласия) , свидетельствующей о наличии перерыва в осадконакоплении. По этой поверхности происходит контакт пород со значительной разницей в возрасте.
Дельтовые отложения: условия образования, литологический состав, условия залегания, палеогеографические карты.
Якушова «Общая геология»: Дельта . Когда река впадает в море, наблюдается резкое падение скорости течения и весь обломочный материал, приносимый рекой, выпадает на дно прибрежной части водоема, образуя подробный конус выноса. Постепенно нарастая в сторону моря в ширину и высоту, он начинает выступать на поверхности в виде дельты с вершиной, обращенной к реке, и с расширяющимся и наклонным в сторону моря основанием. Термин «дельта» был впервые использован применительно к конусу выноса Нила благодаря сходству его формы с греческой буквой ∆. Дельты образуются при относительно небольшой глубине моря, обилии приносимого рекой к устью обломочного материала, отсутствии приливов и отливов и сильных вдольбереговых течений и, главное, при преобладании скорости аккумуляции осадков над скоростью тектонических опусканий или их равенстве. Наземная дельта переходит в подводную дельту, или авандельту. Если море относительно мелкое, русло реки быстро загромождается наносами и уже не может пропустить через себя все количество поступающей речной воды. Вследствие этого река ищет выход из создавшегося подпора, прорывает берега и образует новые дополнительные русла. В результате в устьевой части рек образуется система ветвящихся русел, называемых рукавами, или протоками. Ярким примером многорукавной дельты является дельта р. Волги (рис. 7.21). Протоки разбивают дельту на отдельные мелкие и крупные острова. Близ крупных проток образуются прирусловые валы - гривы, сложенные песчаным и супесчаным материалом, а между ними располагается вогнутая часть острова с суглинистым покровом, иногда занятая озером или заболоченная. В ходе развития дельты отдельные протоки постепенно мелеют, отмирают, превращаются в мелкие озера или болота. При каждом половодье дельта реки меняет свою форму: повышается, расширяется и удлиняется в сторону моря. В результате этого в устьях ряда рек образуются обширные аллювиально-дельтовые равнины со сложными рельефом и соотношением различных генетических типов осадков.
Размеры дельт различны. Наибольших размеров (длина свыше 1000 км, ширина 300-400 км) достигает огромная аллювиально-дельтовая равнина, представляющая собой слившиеся дельты рек Хуанхэ и Янцзы. Близкие размеры имеет общая аллювиально-дельтовая равнина рек Брахмапутры, Ганга и примыкавшей к ним с юго-запада р. Маханади. Площадь дельт рек Тигра и Евфрата составляет 48 000 км 2 , Лены - около 28 000, Волги - около 19 000 км 2 . Рост дельт в ширину и в сторону моря идет с разной скоростью. По данным М. В. Кленовой, до регулирования стока Волги ее дельта увеличивалась в среднем на 170 м в год (см. рис. 7.21).
Для дельтовых областей характерна также миграция русла с течением времени. Так, начиная с 1852 г. главный проток р. Хуанхэ проходит севернее Шаньдуня, а до этого он находился в южной части дельты, обходил Шаньдунь с юга и впадал в море на расстоянии 480 км от своего современного устья. Ничтожная высота и плоская поверхность дельты способствуют внезапным переменам направления течения р. Хуанхэ, что вызывает гибельные наводнения.
Своеобразна дельта р. Миссисипи. Река расширяет свое русло в сторону моря в виде глубоких протоков наподобие пальцев (дельта типа «птичьей ноги»). Такое своеобразие дельты объясняется тем, что река приносит большое количество преимущественно тонких илов, которые откладываются на прирусловых частях, образуя водонепроницаемые валы. Продвижение такого одного протока в Мексиканский залив составляет 75 м в год. Вторая характерная особенность дельты р. Миссисипи - формирование ее в условиях прогибания земной коры при одинаковой скорости аккумуляции дельтовых осадков. В результате мощность дельтовых отложений достигает многих сотен метров. По данным А. Холмса, бурением вскрыта мощность около 600 м, а предполагаемая по геофизическим данным действительная мощность дельтовых отложений значительно больше. В то же время у ряда других рек мощность дельтовых отложений не превышает нормальную мощность перстративного аллювия.
Отложения дельт . В речных дельтах встречаются различные по составу и генезису отложения: 1) аллювиальные отложения русловых проток, представленные в равнинных реках песками и глинами, в горных - более грубым материалом; 2) озерные отложения, образующиеся в замкнутых водоемах - отшнурованных руслах или пониженных частях межрусловых островов, представленные преимущественно суглинистыми осадками, богатыми органическим веществом; 3) болотные отложения - торфяники, возникающие на месте зарастающих озер; 4) морские осадки, образующиеся при нагонных волнах. Эти отложения сменяют друг друга как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении, благодаря частым перемещениям русловых проток, с которыми связаны перенос и накопление русловых осадков, образование озер, различных понижений, заболачивание и другие процессы. В ряде случаев наблюдаются перевевание ветром дельтовых осадков и образование эоловых отложений и форм рельефа.
Помимо накопления обломочного материала в подводных дельтах и в предустьевом пространстве моря иногда происходит выпадение веществ, приносимых реками в растворе, главным образом коллоидных (Fe, Mn, A1 и др) Под влиянием соленой морской воды происходит их коагуляция (лат. «коагуляцио» - свертывание). В устьях рек часто наблюдается также выпадение органических коллоидов. Коагулирующее действие морской воды особенно сказывается в паводки, когда речные потоки очень мутные
Из лекций : дельтовые отложения накапливаются вне реки в виде конуса выноса. Они имеют трехслойное строение. Верхний слой – это галька, слоистость горизонтальная. Средний слой – это песок, косая слоистость. Нижний слой – это глина, горизонтальная слоистость. Эти отложения обогащены растительными осадками, а следовательно, перспективны на нефть и газ.
Методы определения возраста горных пород. Геохронологическая таблица. Местная, региональная и общая стратиграфические шкалы.
Из лекций: Абсолютный возраст – это промежуток времени, прошедший с момента образования пород, то есть года.
Относительный возраст – это возраст пород по сравнению с выше или нижележащими породами.
Определить абсолютный возраст можно с помощью методом ядерной геохронологии. Эти методы основаны на распаде радиоактивных элементов. Скорость распада постоянна и не зависит от каких-либо условий, происходящих на Земле. Зная период полураспада элемента, можно определить возраст минерала и его содержание.
Основные методы ядерной геохронологии:
Свинцовый
Рубидий-стронциевый
Радиоуглеродный
Калий-аргоновый
Калий-аргоновый метод определяет возраст пород, содержащих калий и аргон, которые образовались вблизи земной поверхности или на ней и в дальнейшем не подвергались даже слабому нагреванию и давлению. Возрастной диапазон от 100 млн.лет и старше.
Рубидий-стронциевый метод применяется только для горных пород, так как в определенных условиях между минералами могут происходить химические реакции. Возрастной диапазон от 5 млн.лет и старше.
Свинцовый метод является наиболее совершенным. Определение возраста горных пород, образующихся в течение всей геологической истории Земли, возраст метеоритов, пород планет Солнечной системы и спутников. Возрастной диапазон от 30 млн.лет и старше.
Радиоуглеродный метод применяется в археологии. Для определения возраста наиболее молодых отложений земной коры. Возрастной диапазон от 2 до 60 тыс.лет ± 200 лет.
Строение Земли. Процессы, происходящие в глубинах Земли, влияют на образование горных пород, на землетрясения и вулканические извержения, на медленные колебания поверхности суши и морского дна и на другие явления, преобразующие географическую оболочку. Поэтому, изучая физическую географию, необходимо знать строение Земли и природу ее внутренних слоев.
При современных технических средствах мы не в состоянии непосредственно наблюдать и изучать глубинные слои Земли. Самая глубокая буровая скважина на Земле не достигает 8 км. Существуют проекты бурения до 10-15 км. Более глубокие слои изучаются косвенными геофизическими методами, на основании которых можно строить лишь более или менее вероятные гипотезы. Геофизические методы основаны на изучениях упругих колебаний и физических полей Земли.
Наиболее важным является сейсмический метод, который по скорости распространения в Земле упругих волн, вызванных землетрясением или искусственными взрывами, дает возможность судить об упругих свойствах вещества, залегающего на той или иной глубине, и косвенно о других свойствах вещества. Сейсмический метод основан на следующем.
От места механического толчка исходят волны сжатия - растяжения (продольные) и волны сдвига (поперечные). Последние не возникают в жидкости и газе. Сейсмические волны проходят через земные глубины и, встречая на своем пути среду с различными физическими свойствами, преломляются и изменяют скорость распространения. Направление и скорость распространения сейсмических волн регистрируются приборами - сейсмографами. На основании многочисленных измерений установлено, что скорость распространения сейсмических волн меняется скачкообразно на определенных глубинах. Это связано прежде всего со скачкообразным изменением плотности слоев Земли.
Отсюда можно сделать важный вывод, что Земля имеет концентрическое строение. Глубины резкого изменения скорости волн называются сейсмическими зонами раздела первого порядка. Первая зона раздела, называемая зоной Мохоровичича, находится на средней
глубине 33 км, вторая - на средней глубине 2900 км. Эти зоны делят Землю на три основных слоя: кору, мантию и ядро (рис. 6). Глубины, на которых скорости сейсмических волн меняются менее резко, называются сейсмическими зонами раздела второго порядка. Они делят мантию на верхнюю и нижнюю и ядро на внешнее и внутреннее.
Кора - верхняя твердая каменная оболочка Земли. Горные породы, слагающие кору, включают все химические элементы таблицы Менделеева. Однако большинство элементов содержится в ничтожном количестве. Основными элементами коры являются: О, Si , A 1, из остальных преобладают Fe , Ca , Na , К и Mg .
Сейсмические волны и гравиметрические данные указывают на изменение с глубиной физических свойств горных пород и на неоднородность строения коры, которая отражается в планетарном рельефе земной поверхности. По физическим свойствам кору делят на три слоя: осадочный, гранитный и базальтовый. По мощности и строению выделяют два основных типа коры: материковый и океанический; в промежуточной полосе между ними кора переходного типа. Материковая кора имеет среднюю толщину 35 км. Под древними равнинами ее толщина 30 км, в горных странах ее толщина колеблется от 40 до 80 км в зависимости от происхождения и древности гор. Толщина океанической коры в среднем 5 км.
Материковая кора состоит из трех слоев: осадочный мощностью 0-15 км, гранитный средней мощностью 10 км и базальтовый средней мощностью 20 км. Океаническая кора состоит из двух слоев: осадочный мощностью менее 1 км и базальтовый мощностью 4-5 км (рис. 7). Гранитный слой состоит в основном из гранита и других так называемых кислых пород, базальтовый - из базальта и других так называемых основных пород (см. геоморфологию). Плотность
коры увеличивается с глубиной от 2,7 до 3,5 г/смм 3 . Температура в верхнем слое Земли с глубиной возрастает в среднем на 3° каждые 100 м. Земная кора постепенно выплавлялась из вещества мантии в процессе длительной физико-химической и гравитационной его дифференциации. При этом выделились гранитный и базальтовый слои земной коры, осадочный же слой возник позднее в результате их разрушения. Возраст земной коры в различных ее участках неодинаков.
В жизни земной коры происходит непрерывное формирование и развитие больших прогибов и поднятий. В подвижных так называемых геосинклиналъных зонах прогибы и поднятия имеют удлиненную форму порядка 50-100 км, а скорость вертикального движения порядка 1 см в год. Амплитуда вертикальных движений измеряется в этих случаях многими километрами. Такие поднятия и прогибы приводят к контрастному расчленению земной коры на крупные формы рельефа (горы и впадины). В областях стабильных, так называемых платформенных, поднятия и прогибы имеют округлые или неправильные очертания, их поперечник измеряется сотнями километров, а скорость вертикальных движений измеряется долями миллиметра в год. Это области малых контрастов рельефа. Причина описанных вертикальных движений кроется в мантии Земли.
Некоторые небольшие поднятия и опускания земной коры, охватывающие малые площади, измеряемые несколькими километрами, и такие же локальные деформации горных пород в виде небольших складок или неглубоких разрывов вызываются процессами, протекающими в земной коре. Одним из таких процессов является гранитизация, т.е. превращение осадочных и метаморфических пород в граниты путем их переплавления. При гранитизации происходит увеличение объема пород на 10-15%. Находящиеся в пластичном состоянии граниты, залегающие в виде линз ад других пород на глубине 10-15 км, оказываются в неустойчивом состоянии; под тяжестью вышележащих пород они выжимаются из одних мест и нагнетаются в другие, вызывая деформацию в залегании покрывающих слоёв.
Мантия - подкоровая оболочка Земли, отличающаяся от коры главным образом физическими параметрами. Она состоит из окислов магния, железа и кремния. Давление в мантии, возрастая с глубиной, достигает на границе ядра 1,3 млн. атмосфер Плотность мантии увеличивается от 3,5 в верхних слоях до 5,5 г/см 3 на границе ядра. Температура вещества мантии соответственно увеличивается примерно от 500° до 3800°. Несмотря на высокую температуру мантия находится в твердом состоянии. Граница между верхней и нижней мантией находится на глубине 900-1000 км отземной поверхности.
Верхняя мантия состоит из перидотита - ультраосновной породы с повышенным содержанием магния и железа и бедной кремнеземом. В верхней мантии возникают разрывы, сопровождающиеся сдвигами: здесь происходят процессы, определяющие стабильность одних и подвижность других участков земной коры. На глубине 100-200 км под материками и 50-400 км под океанами расположена зона размягчения и относительной подвижности материала -астеносфера, или волновод.Здесь температура растет быстрее плотности и может «догнать» точку плавления. Достаточно небольшого снижения давления, чтобы вещество астеносферы расплавилось, образуя магму, и устремилось вверх. В результате неоднократного продвижения вверх магма может излиться на поверхность. Разломы в верхних слоях мантии облегчают всплывание магмы - астенолитов. Они определяют линейное расположение всплывающих астенолитов. Одни астенолиты поднимаются до поверхности и образуются внутри коры. Они приносят с собой глубинное тепло и сильно прогревая кору, вызывают в ее породах явление метаморфизма вплоть до образования гранитов. Активный приток материала и тепла из верхней мантии в кору характерен для подвижных зон геосинклиналей. По мере исчерпания внутренней энергии в данном месте подвижность коры ослабевает, и геосинклиналь сменяется платформенным состоянием с сравнительно медленными вертикальными движениями коры. Однако в силу еще не установленных причин может наступить новая «активизация» движений в платформенных областях.
Ядро - центральная часть Земли не совсем ясной химической и физической природы. С начала XX в. существует гипотеза железного ядра; её современная модификация разделяется некоторыми геофизиками и сейчас. Больше сторонников имеет гипотеза силикатного ядра. Однако независимо от состава химических элементов для ядра, в силу особых физических условий, характерно полное вырождение химических свойств вещества. Температура ядра порядка 4000°, давление в центре Земли более 3,5 млн. атмосфер. При таких условиях вещество переходит в так называемую металлическую фазу, электронные оболочки атомов разрушаются и образуется электронная плазма отдельных химических элементов. Вещество становится более плотным и насыщенным свободными электронами. Огромные кольцевые вихри свободных электронов, возникающие в ядре, порождают, вероятно, постоянное магнитное поле Земли.
Граница между внешним и внутренним ядром находится на глубине около 5000 км от поверхности Земли. Внешнее ядро жидкое - через него не проходят поперечные волны. Плотность внешнего ядра в верхней части около 10,0 г/см. Внутреннее ядро твердое - продольные волны, проходя черев него, порождают в нем поперечные волны. Плотность внутреннего ядра доходит до 13,7 г/см 3 .
Ядро Земли центральная, наиболее глубокая геосфера Земли. Его средний радиус ок. 3,5 тыс. км. Делится на внешнее ядро и субъядро (внутренне ядро). Температура в центре ядра Земли, по-видимому, достигает 5000ºС, плотность ок. 12,5 т/м 3 , давление до 361 (гига) ГПа (3,5*10 6 атм). Предположительно ядро металлическое (железно-никелевое). Внешнее ядро – жидкое, а субъядро – твердое. С этим связано наличие у Земли магнитного поля. Мантия оболочка «твердой» Земли, расположенная между земной корой и ядром Земли. Составляет 83% объема Земли и 67% ее массы. Верхняя граница проходит на глубине от 5-10 до 70 км по поверхности Мохоровичича . Нижняя – на глубине 2900 км по границе с ядром Земли. Предполагают, что мантия Земли в основном сложена оливином и делится на верхнюю мантию толщиной ок. 900 км и нижнюю – ок. 2000 км. Благодаря высокому давлению – от 1 до 136 ГПа вещество мантии Земли, по-видимому, находится в твердом кристаллическом состоянии (за исключением астеносферы). Температура в мантии, по-видимому, не превышает 2000-2500ºС. С процессами в мантии Земли связаны тектонические движения, магматизм, вулканизм и др.
В верхней мантии находится слой пониженной твердости, прочности и вязкости – астеносфера, подстилающий литосферу. Верхняя граница на глубине ок. 100 км под материками и ок. 50 км под дном океана; нижняя – на глубине 250- 350 км. Астеносфера играет важную роль в происхождении эндогенных процессов, протекающих в земной коре (магматизм, метаморфизм и др.). Благодаря своей пластичности астеносфера выполняет роль субстрата, по которому могут перемещаться литосферные плиты. Вещество в астеносфере возможно, аморфно.
Верхняя твердая оболочка Земли называется земной корой . Она ограничена снизу поверхностью Мохоровичича. Мощность ее составляет от 5 до 75 км. По строению различают: материковую (континентальную) и океаническую кору.
Материковая кора под равнинами имеет мощность 25- 30 км, а под горами – до 75 км. В среднем она составляет 33- 35 км. Под горами отмечается утолщение земной коры, то есть выступы ее в глубь – «корни гор». Особенно большой толщины кора достигает под Памиром, Гиндукушем – более 60 км. Гималаями (около 75 км) и Андами (75 км). Таким образом, самые высокие горы имеют самые глубокие «корни» в земных недрах.
При сейсмическом зондировании материковой коры выделяются три основных ее слоя:
- Верхний из них носит название осадочного слоя . Это наименее плотный слой толщиной: от 2- 3 км на платформах до 20- 30 км в подвижных областях. Этот слой представлен осадочными породами, то есть глинами, песками, песчаниками, известняками и мергелями. На нем залегает почвенный покров.
- Второй, наиболее толстый слой материковой земной коры, называется гранитным слоем. Он имеет большую плотность и сложен кристаллическими горными породами, то есть гранитами и гнейсами. Этот слой местами выходит на поверхность. Например, на Кольском полуострове; в центральных частях горных хребтов Кавказа, Тянь-Шаня, Алтая, Альп, Карпат и др. В большинстве случаев гранитный слой покрыт осадочными породами, мощность которых достигает 10- 20 км.
- Третий слой материковой коры называют базальтовым слоем . Он состоит из наиболее тяжелых горных пород – базальтов, габбро и др., его толщина составляет 15- 25 км.
Океаническая кора тоньше материковой и состоит из двух слоев – осадочного и базальтового. Мощность осадочного слоя колеблется и изменяется от нескольких метров на срединно-океанических хребтах до 3 км – на остальной части океанического дна. Большая часть этого слоя представлена известняковыми илами, образовавшимися за счет остатков живых организмов.
Толщина базальтового слоя изменяется от 3-х до 12 км. Между этими двумя основными слоями выделяется слой с меньшей, чем у базальтов, плотностью: его толщина от 1 до 2 км. Считается, что он представлен лавами и вулканическими туфами.
Таким образом, общая толщина океанической коры составляет 5- 15 км, увеличиваясь до 20 км вблизи материков, под океаническими островами и подводными хребтами. В центральной части Тихого океана мощность коры составляет около 5- 8 км.
Основную роль в исследовании внутреннего строения Земли играют сейсмические методы, основанные на исследовании распространения в ее толще упругих волн (как продольных, так и поперечных), возникающих при сейсмических событиях – при естественных землетрясениях и в результате взрывов.
Вопросы для рассмотрения:
1. Методы изучения внутреннего строения Земли.
2. Внутреннее строение Земли.
3. Физические свойства и химический состав Земли.
4. История возникновения и развития земных оболочек. Движение земной коры.
5. Вулканы и землетрясения.
1. Методы изучения внутреннего строения Земли.
1) Визуальные наблюдения обнажений горных пород
Обнажение горных пород — это выход пород на земную поверхность в оврагах, долинах рек, карьерах, шахтных выработках, на склонах гор.
При изучении обнажения обращают внимание на то, какими породами оно сложено, каковы состав и мощность этих пород, порядок их залегания. Из каждого пласта берут пробы для дальнейшего изучения в лаборатории, чтобы определить химический состав пород, их происхождение и возраст.
2) Бурение скважин позволяет извлечь образцы пород – керн , а затемопределить состав, строение, залегание пород ипостроить чертеж пробуренной толщи - геологический разрез местности. Сопоставление многих разрезов дает возможность установить, как залегают породы, и составить геологическую карту территории. Самая глубокая скважина была пробурена на глубину 12 км. Эти два метода позволяют изучить Землю только поверхностно.
3) Сейсмическая разведка.
Создавая взрывом волну искусственного землетрясения, люди следят за скоростью ее прохождения через различные слои. Чем плотнее среда, тем больше скорость. Зная эти скорости и прослеживая их изменение, ученые могут определить плотность залегаемых пород. Этот метод получил название сейсмозондирования и помог заглянуть внутрь Земли.
2. Внутреннее строение Земли.
Сейсмозондирование Земли позволило выделить три ее части – литосферу, мантию и ядро.Литосфера (от греческого литос - камень и сфера - шар) — верхняя, каменная оболочка Земли, включающая земную кору и верхний слой мантии (астеносферу). Глубина литосферы достигает более 80 км. Вещество астеносферы находится в вязком состоянии. В результате земная кора как бы плавает на жидкой поверхности.
Земная кора имеет толщину от 3 до 75 км. Ее строение неоднородно (сверху в низ):
1 – осадочные породы (песок, глина, известняк) – 0- 20 км. Рыхлые породы имеют невысокую скорость сейсмических волн.
2 – гранитный слой (отсутствует под океаном) имеет большую скорость волн 5,5-6 км/с;
3 – базальтовый слой (скорость волн 6,5 км/с);
Выделяют два вида коры — материковую и океаническую. Под материками кора содержит все три слоя — осадочный, гранитный и базальтовый. Ее мощность на равнинах достигает 15 км, а в горах увеличивается до 80 км, образуя «корни гор». Под океанами гранитный слой во многих местах вообще отсутствует и базальты покрыты тонким чехлом осадочных пород. В глубоководных частях океана мощность коры не превышает 3—5 км, а ниже залегает верхняя мантия.
Температура в толще коры достигает 600 о С. Она в основном состоит из оксидов кремния и алюминия.
Мантия - промежуточная оболочка, расположенная между литосферой и ядром Земли. Нижняя ее граница проходит предположительно на глубине 2900 км. На мантию приходится 83% объема Земли . Температура мантии составляет от 1000 о С в верхних слоях до 3700 о С в нижних. Граница раздела коры и мантии – поверхность Мохо (Мохоровичича).
В верхней мантии возникают очаги землетрясений, образуются руды, алмазы и другие ископаемые. Отсюда же на поверхность Земли поступает внутреннее тепло. Вещество верхней мантии постоянно и активно перемещается, вызывая движение литосферы и земной коры. Оно состоит из кремния и магния. Внутренняя мантия постоянно перемешивается с жидким ядром. Тяжелые элементы погружаются в ядро, а легкие поднимаются к поверхности. Вещество, слагающее мантию 20 раз совершило кругооборот. Всего 7 раз этот процесс должен повториться и прекратится процесс построения земной коры, землетрясения и вулканы.
Ядро состоит из внешнего (до глубины 5 тыс. км), жидкого слоя и внутреннего -твердого. Представляет собой железо-никелиевый сплав. Температура жидкого ядра 4000 о С, а внутреннего 5000 о С. Ядро имеет очень высокую плотность, особенно внутреннее, потому оно и твердое. Плотность ядра в 12 раз превышает воду.
3. Физические свойства и химический состав Земли.К физическим свойствам Земли относят температурный режим (внутреннюю теплоту), плотность и давление.
На поверхности Земли температура постоянно изменяется и зависит от притока солнечного тепла. Суточные колебания температур распространяются до глубины 1—1,5 м, сезонные — до 30 м. Ниже этого слоя лежит зона постоянных температур,
где они всегда остаются неизмен
85;ыми и соответствуют среднегодовым температурам данной местности на поверхности Земли.
Глубина залегания зоны постоянных температур в разных местах неодинакова и зависит от климата и теплопроводности горных пород. Ниже этой зоны начинается повышение температур, в среднем на 30 °С через каждые 100 м. Однако величина эта непостоянна и зависит от состава горных пород, наличия вулканов, активности теплового излучения из недр Земли.
Зная радиус Земли, можно подсчитать, что в центре ее температура должна достигать 200 000 °С. Однако при такой температуре Земля превратилась бы в раскаленный газ. Принято считать, что постепенное повышение температур происходит только в литосфере, а источником внутреннего тепла Земли служит верхняя мантия. Ниже рост температур замедляется, и в центре Земли она не превышает 5000 ° С.
Плотность Земли. Чем плотнее тело, тем больше масса единицы его объема. Эталоном плотности принято считать воду, 1 см 3 которой весит 1 г, т. е. плотность воды равна 1 г/см 3 . Плотность других тел определяется отношением их массы к массе воды такого же объема. Отсюда понятно, что все тела, имеющие плотность больше 1, тонут, меньше — плавают.
Плотность Земли в разных местах неодинакова. Осадочные породы имеют плотность 1,5 — 2 г/см 3 , гранит - 2, 6 г/см 3 , а базальты — 2,5-2,8 г/см 3 . Средняя плотность Земли составляет 5,52 г/см 3 . В центре Земли плотность слагающих ее пород возрастает и составляет 15—17 г/см 3 .
Давление внутри Земли. Горные породы, находящиеся в центре Земли, испытывают огромное давление со стороны вышележащих слоев. Подсчитано, что на глубине всего лишь 1 км давление составляет 10 4 гПа, а в верхней мантии оно превышает 6 10 4 гПа. Лабораторные эксперименты показывают, что при таком давлении твердые тела, например мрамор, изгибаются и могут даже течь, т. е. приобретают свойства, промежуточные между твердым телом и жидкостью. Такое состояние веществ называют пластическим. Данный эксперимент позволяет утверждать, что в глубоких недрах Земли материя находится в пластическом состоянии.
Химический состав Земли. В Земле можно найти все химические элементы таблицы Д. И. Менделеева. Однако количество их неодинаково, распределены они крайне неравномерно. Например, в земной коре кислород (О) составляет более 50 %, железо (Fе) — менее 5 % ее массы. Подсчитано, что базальтовый и гранитный слои состоят в основном из кислорода, кремния и алюминия, а в мантии возрастает доля кремния, магния и железа. В целом же принято считать, что на 8 элементов (кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий, водород) приходится 99,5 % состава земной коры, а на все остальные - 0,5 %. Данные о составе мантии и ядра носят предположительный характер.
4. История возникновения и развития земных оболочек. Движение земной коры.
Около 5 млрд. лет назад из газо-пылевой туманности сформировалось космическое тело Земля. Оно было холодным. Четких границ между оболочками еще не существовало. Из недр Земли бурным потоком поднимались газы, сотрясая взрывами поверхность.
В результате сильного сжатия в ядре начали происходить ядерные реакции, что привело к выделению большого количества тепла. Энергия разогреланедра планеты. В процессе плавленияметаллов недр более легкие вещества всплывали на поверхность и образовывали кору, а тяжелые опускались вниз. Застывшая тонкая пленка тонула в горячей магме и вновь образовывалась. Через время на поверхности стали скапливаться большие массы легких оксидов кремния и алюминия, которые уже не тонули. Со временем они образовали большие массивы и остыли. Такие образования называются литосфреными плитами (материковыми платформами). Они подобно гигантским айсбергам плавали и продолжают свой дрейф на пластичной поверхности мантии.
2 млрд. лет назад появилась водная оболочка в результате конденсации водяных паров.
Около 500-430 млн.лет назадсуществовали 4 континента: Ангария (часть Азии), Гондвана, Североамериканская и Европейская плиты. В результате движения плит две последние плиты столкнулись, образуя горы. Образовалась Евроамерика.
Около 275 млн. лет назад произошло столкновение Евроамерики и Ангарии, на месте возникли Уральские горы. В результате этого столкновения возникла Лавразия.
Вскоре Лавразия и Гондвана соединились, образовав Пангею (175 млн. лет назад), а затем снова разошлись. Каждый из этих континентов распался еще на фрагменты, образовав современные материки.
В верхней мантии происходят конвекционные течения под действием восходящих тепловых потоков. Большое глубинное давление заставляет двигаться литосферу, состоящую из отдельных блоков – плит. Литосфера разбита примерно на 15 крупных плит, движущихся в разных направлениях. При столкновении друг с другом их поверхность сжимается в складки и поднимается, образуя горы. В других местах образуются трещины (рифтовые зоны
) и лавовые потоки, вырываясь наружу, заполняют пространство. Данные процессы происходят как на суше, так и на дне океана.
Видео 1. Образование Земли, ее литосферных плит.
Движение литосферных плит.
Тектоника – процесс перемещения литосферных плит по поверхности мантии. Движение земной коры называется тектоническим движением.
Изучение структуры горных пород, электронная топографическая съемка дна океана из космоса подтвердили теорию тектоники плит.
Видео 2. Эволюция континентов.
5. Вулканы и землетрясения.
Вулкан – геологическое образование на поверхности земной коры, через которое извергаются потоки расплавленных пород, газы, пар и пепел. Следует различать магму и лаву. Магма - жидкие породы в жерле вулкана. лава - потоки породы по склонам вулкана. Из остывшей лавы формируются вулканические горы
На Земле около 600 действующих вулканов. Они образуются там, где земная кора расколота трещинами, близко залегают слои расплавленной магмы. Вверх ее подниматься заставляет высокое давление. Вулканы бывают наземные и подводные.
Вулкан представляет собой гору, имеющую канал , заканчивающийся отверстием – кратером . Могут быть и боковые каналы . По каналу вулкана из магматического резервуара поступает на поверхность жидкая магма, образуя лавовые потоки. Еслилава остывает в жерле вулкана, то формируется пробка, котораяпод воздействием давления газов может взорваться, освобождая путь свежей магме (лаве). Если лава достаточно жидкая (в ней много воды), то она быстро стекает по склону вулкана. Густая лава течет медленно и застывает, увеличивая вулкан в высоту и ширину. Температура лавы может достигать 1000-1300 о С и двигаться со скоростью 165 м/с.
Деятельность вулкана часто сопровождается выбросом большого количества пепла, газов и паров воды. Перед извержением над вулканом столб из выбросов может достигать нескольких десятков км в высоту. На месте горы после извержения может образоваться кратер гигантских размеров с клокочущим озером из лавы внутри – кальдера .
Вулканы образуются в сейсмически активных зонах: в местах соприкосновения литосферных плит. В разломах магма близко подходит к поверхности Земли, расплавляя породы и образуя вулканический канал. Захваченные газы увеличивают давление и выталкивают магму на поверхность.