Методы изучения внутреннего строения Земли

К методам непосредственных наблюдений относится изучение глубин Земли с помощью горных выработок – шахт, тоннелей и скважин. Их много на Земле, особенно скважин, пробуренных в поисках нефти и газа. Глубина таких скважин не превышает 5 км. Сверхглубоких скважин, которые бурят для изучения верхних частей Земли, уже несколько: на Кольском полуострове, в Азербайджане и в других местах. Глубина сверхглубоких скважин находится в пределах современных технических возможностей и пока не превышает 15 км. А этого очень мало, чтобы судить о строении Земли.

Данные о том, что находится внутри Земли, получают, изучая извержения вулканов и лаву, изливающуюся из недр. Но и здесь, даже если принять глубину очагов некоторых извержений в 100 км, данных оказывается крайне недостаточно.

Геофизические методы, изучая физические параметры Земли – электропроводность и силу тяжести, могут судить о внутреннем состоянии Земли, практически не ограничивая глубины исследования. Геофизические методы пока единственные приносящие научно обоснованные сведения о том, что делается внутри Земли. Особенно много интересных данных было получено при изучении скоростей распространения в Земле упругих колебаний, которые называют сейсмическими волнами. Раздел науки, который изучает эти волны, называется сейсмологией.

Изучение скорости распространения сейсмических волн показало, что с глубиной их скорость изменяется либо скачкообразно (сейсмические разделы 1 порядка), либо постепенно (сейсмические разделы 2 порядка), обнаруживая устойчивую тенденцию увеличиваться к центру Земли.

Волна – это распространение некоторой деформации в упругой среде, т.е. изменение объёма или формы вещества. При деформации в веществе возникает напряжение, которое стремится вернуть его к первоначальной форме или объёму. Выделяют два типа сейсмических волн: объёмные и поверхностные.

Объёмные волны бывают продольными и поперечными (рис.2).

Продольные – это волны сжатия, распространяющиеся в направлении движения волны. Они обозначаются латинской буквой «Р» (primary – первичный, англ.), так как скорость их распространения выше других волн и они первыми приходят на сейсмоприёмники. Продольная волна изменяет форму тела.

Поперечные волны S (secondary – вторичный, англ.) – это волны сдвига, при которой деформации в веществе происходят поперёк направления движения волны.

Поверхностные волны распространяются в поверхностном слое земной коры. Различают волны Лява и Рэлея. В первых из них колебания осуществляются только в горизонтальной плоскости поперёк направления движения волны. Волны Рэлея подобны волнам на воде, в них частицы вещества совершают круговые движения.

 

 

Рис.2. Типы сейсмических волн. А – объёмные волны: а –продольные, б – поперечные. Б – поверхностные волны: в –Лява, г – Релэя.

Стрелками показано направление движения воды.

 

Изменение скоростей сейсмических волн на поверхностях разделов может быть связано с изменением плотности вещества или его фазового состояния, или того и другого вместе. Поверхности разделов ограничивают внутри Земли сфероподобные оболочки и её ядро. Такие оболочки получили названия внутренних геосфер. К внешним геосферам относят биосферу, гидросферу и атмосферу. Рассмотрим сначала внешние геосферы.

Внешние геосферы

Атмосфера – располагается от поверхности Земли на высоту до 1300 км. Главные компоненты, слагающие атмосферу- азот, кислород, аргон, углекислота и пары воды. В небольшом количестве в атмосфере присутствуют газы и имеют большое значение в её жизни. Так, промышленные газы создают ощутимый парниковый эффект, приводящий к разогреву атмосферы за счёт поглощения значительной части инфракрасного излучения поверхности Земли, нагретой Солнцем. Озон, концентрируясь на высоте 10-15 км образует озоновый слой, предохраняющий всё живое от вредного ультрафиолетового излучения Солнца. Этот слой может быть разрушен вследствие поступления в атмосферу веществ, которые разрушают озон, и, в частности, техногенного фреона.

Атмосфера состоит из нескольких слоёв:

- тропосфера до высоты8 км над полюсом и 17 км над экватором;

- стратосферы до высоты 55 км;

- ионосферы, в которой разряжённый воздух ионизирован ультрафиолетовым излучением Солнца и способен проводить электрический ток.

Гидросфера, или водная оболочка Земли, включает воду морей и океанов, рек, озёр, болот, а также льды ледников. К гидросфере следует отнести и подземные воды.

Биосфера образует зону на границе атмосферы и литосферы, которая включает и гидросферу, и характеризуется тем, что в ней есть органическая жизнь. Органическая жизнь в биосфере распространена практически везде, но больше всего её в морях и океанах. Большая роль в изучении биосферы принадлежит В.И. Вернадскому.

Внутренние геосферы.

Земная кора – верхняя каменная оболочка Земли сложена магматическими, метаморфическими и осадочными породами, имеющими от 7 до 70-80 км. Земная кора ограничивается снизу очень чёткой поверхностью скачка скоростей волн Р и S, впервые установленной югославским геофизиком А. Мохоровичичем в 1909 г. и получившей его имя: поверхность Мохоровичича (Мохо или просто М). Это наиболее активный слой твердой Земли. Здесь особенно отчетливо проявляется вертикальная и горизонтальная неоднородность, создаваемая разнообразными осадочными, метаморфическими, интрузивными породами.

Мантия – самая крупная промежуточная оболочка Земли. Масса Земли, заключенной в этом слое около 2/3 массы планеты. Вторая глобальная сейсмическая граница раздела находится на глубине 2900 км, была выделена в 1913 г. немецким геофизиком Б.Гутенбергом и также получила его имя.

Верхняя мантия. Нижняя граница на материках располагается на глубине 80 – 120 км, в океанах - не превышает 50 км. Строение этого слоя под континентальными и океаническими структурами существенно отличается. На континентах это условно гранитный слой, в океанах – базальтовый, со средней плотностью 2,7 г/см³. Поверхность, разделяющая гранитный и базальтовый слои называется границей Конрада. Базальтовые породы содержат по сравнению с гранитами меньше кремня и алюминия и имеют более высокую плотность 2,8 – 2,9 г/см³.

Нижняя мантия в интервале 2900-120 км характеризуется плотностью 5,5 – 6,0 г/см³, где наряду с кислородом, кремнем, магнием присутствуют такие тяжелые элементы, как железо и никель. Температура – 1000⁰. Вещество находится в стекловидном (аморфном) состоянии. Такое состояние поддерживается высоким давлением.

Центральная, внутренняя, наиболее плотная часть Земли называется ядром. По геофизическим данным ядро находится в состоянии, приближенном к жидкому с температурой 2500 – 3000⁰С. Плотность вещества достигает 13 г/см³.

На глубине 5120 км снова происходит скачкообразное увеличение скорости продольных волн, а путём применения особого метода показано, что там появляются и поперечные волны, т.е. эта часть ядра твёрдая (рис.3).

 

Рис.3. Скорости сейсмических волн и плотность внутри Земли. Сейсмические волны: 1 – продольные, 2 – поперечные, 3 –плотность.

Возникновение земной коры

Земная кора возникла в процессе геологической эволюции. В догеологическую историю происходил прогрев ядра и мантии, перемешивание расплава с верхними, более лёгкими компонентами. На поверхности планеты появились первые вулканно-плутонические кольцевые структуры, выполненные базальтами. Метеоритные кратеры дополняли этот «лунный» пейзаж. С дегазацией мантии происходило выделение газов и формирование атмосферы: метана, аммиака, и в меньшей степени, водорода, паров воды и углекислого газа. Таким образом, к концу лунной стадии на Земле формируется базальный слой Земли, первичная атмосфера и гидросфера.

Дальнейшая эволюция Земли связана с формированием гранитного слоя Земли. Атмосферные процессы способствовали разрушению и переработке вулканического горного рельефа. Уплотнение и метаморфизм создали мощный слой метаморфических горных пород (гнейсов, кварцитов и др.). Продолжающаяся переработка, исходящими из недр Земли газовых и жидких растворов щёлочей и кремнезёма, содействовал метасоматической гранитизации осадков. Эти изменения первонально происходили на ограниченных, овальной формы, участках – нуклеоидах. «Нуклеарный» (разрастающий) этап развития земной коры продолжался 3,5-4,0 млрд. лет тому назад. Повсеместное развитие зон гранитизации привело к созданию гранитного слоя Земли.

Примерно 3,5 млрд. лет назад начался и сейчас продолжается этап формирования толщи осадочных пород. Этот этап связан с эндогенными (внутренние) и экзогенными (внешними) процессами.

Строение земной коры

Строение земной коры, мощность которой изменяется от 0 до 75 км и повсеместно имеет чёткую нижнюю границу – поверхность Мохо, принципиально отличается на континентах и в океанах (рис.4).

 

 

Рис.4. Схемы строения земной коры.

I – континентальная кора, слои: 1 – осадочный, 2 – гранитно-метаморфический, 3 – базальтовый, 4 – перидотиты верхней мантии.

II – океаническая кора, слои: 1 – осадочный, 2 – базальтовый, 3 – комплекса параллельных даек, 4 – габбро, 5 – перидотиты верхней мантии

 

Кора континентов имеет значительную толщину и состоит из слоев – осадочного, гранитно-метаморфического, базальтового и перидотиты верхней мантии.

Океаническая кора, при значительно меньшей толщине, состоит из слоёв – маломощного осадочного, базальтового, комплекса параллельных даек, габбро, перидотиты верхней мантии.

Контрольные вопросы:

1. Дайте принципиальную схему рождения, жизни и гибели звёзд.

2. На каких теоретических представлениях и экспериментальных данных построена теория «Большого взрыва».

3. Сравните океанический и материковый типы земной коры.

4. Перечислить методы изучения внутреннего строения Земли.

5. Назовите внешние и внутренние геосферы Земли.

6. Что такое земная кора?

Лекция 3.