Строение земли. Методы получения знаний о строении земли.

Содержание

Введение…………………………………………………………3

Глава 1. Строение Земли

1.1. Физические свойства и химический состав Земли

1.2. Внешние процессы, преображающие поверхность Земли

Глава 2. Методы изучения строения Земли.

Глава 3.

Заключение

Библиография

Введение

Состав  и строение глубинных оболочек Земли  в последние десятилетия продолжают оставаться одной из наиболее интригующих  проблем современной геологии. Число  прямых данных о веществе глубинных  зон весьма ограниченно. Эти знания пока очень поверхностны, так как получены на основании косвенных доказательств. Прямые свидетельства относятся только к поверхностной пленке планеты, чаще всего не превышающей полутора десятков километров. В целом же о внутреннем строении нашей планеты мы знаем меньше, чем о ближнем космосе, исследуемом с помощью спутников и космических кораблей.

 Новейшие данные геофизики и экспериментов, связанных с исследованием структурных превращений минералов, уже сейчас позволяют смоделировать многие особенности строения, состава и процессов, происходящих в глубинах Земли, знание которых способствует решению таких ключевых проблем современного естествознания, как формирование и эволюция планеты, динамика земной коры и мантии, источники минеральных ресурсов, оценка риска захоронения опасных отходов на больших глубинах, энергетические ресурсы Земли и многих других.

Глава 1. Строение Земли

Если  бы Земля была однородным телом, то сейсмические волны распространялись бы с одинаковой скоростью, прямолинейно и не отражались.

В действительности же скорость волн неодинакова и изменяется скачкообразно. Так, на глубине около 60 км их скорость «неожиданно» увеличивается  с 5 до 8 км/с. На отметке 2900 км она возрастет  до 13 км/с, затем вновь падает до 8 км/с. Ближе к центру Земли зафиксировано возрастание скорости продольных волн до 11 км/с. Поперечные волны глубже 2900 км не проникают.

Резкое  изменение скорости сейсмических волн на глубинах 60 и 2900 км позволило сделать  вывод о скачкообразном увеличении плотности вещества Земли и выделить три ее части – литосферу, мантию и ядро.

Поперечные  волны проникают до глубины 4000 км и затухают, что свидетельствует  о том, что ядро Земли неоднородно  по плотности и внешняя его  часть «жидкая», а внутренняя представляет собой твердое тело (рис. 1.1.).

Рис. 1.1. Внутреннее строение Земли 

Литосфера. Литосфера (от греческого литос – камень и сфера – шар) – верхняя, каменная оболочка твердой Земли, имеющая сферическую форму. Глубина литосферы достигает более 80 км, в нее включают и верхнюю мантию – астеносферу, служащую субстратом, на котором расположена основная часть литосферы. Вещество астеносферы находится в пластическом (переходном между твердыми телами и жидкостью) состоянии. В результате основание литосферы как бы плавает в субстрате верхней мантии.

Земная  кора. Верхнюю часть литосферы называют земной корой. Внешняя граница земной коры – поверхность ее соприкосновения с гидросферой и атмосферой, нижняя проходит на глубине 8-75 км и называется слоем или разделом Мохоровичича.

Положение земной коры между мантией и внешними оболочками – атмосферой, гидросферой  и биосферой – обусловливает  воздействие на нее внешних и  внутренних сил Земли.

Строение  земной коры неоднородно (рис. 1.2.). Верхний слой, мощность которого колеблется от 0 до 20 км, сложен осадочными породами – песком, глиной, известняками и др. Это подтверждают данные, полученные при изучении обнажений и керна буровых скважин, а также результаты сейсмических исследований: породы эти рыхлые, скорость прохождения сейсмических волн невелика.

Рис. 1.2. Строение земной коры

Ниже, под материками, расположен гранитный слой, сложенный породами, плотность которых соответствует плотности гранита. Скорость прохождения сейсмических волн в этом слое, как и в гранитах, составляет 5,5–6 км/с.

Под океанами гранитный слой отсутствует, а на материках в некоторых местах он выходит на дневную поверхность.

Еще ниже расположен слой, в котором сейсмические волны распространяются со скоростью 6,5 км/с. Эта скорость характерна для  базальтов, поэтому, несмотря на то, что слой сложен разными породами, его называют базальтовым.

Граница между гранитным и базальтовым  слоями называется поверхностью Конрада. Этому разделу соответствует скачок скорости сейсмических волн от 6 до 6,5 км/с.

В зависимости  от строения и мощности 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.

Мантия. Это промежуточная оболочка, расположенная между литосферой и ядром Земли. Нижняя ее граница проходит предположительно на глубине 2900 км. На мантию приходится более половины объема Земли. Вещество мантии находится в перегретом состоянии и испытывает огромное давление вышележащей литосферы. Мантия оказывает большое влияние на процессы, происходящие на Земле. В верхней мантии возникают магматические очаги, 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.

Ядро. В ядре различают две части: внешнюю, до глубины 5 тыс. км, и внутреннюю, до центра Земли. Внешнее ядро жидкое, так как через него не проходят поперечные волны, внутреннее – твердое. Вещество ядра, особенно внутреннего, сильно уплотнено и по плотности соответствует металлам, поэтому его и называют металлическим.

1.1. Физические свойства и химический состав Земли

К физическим свойствам Земли относят температурный  режим (внутреннюю теплоту), плотность  и давление.

Внутренняя  теплота Земли. По современным представлениям Земля после ее образования была холодным телом. Затем распад радиоактивных элементов постепенно разогревал ее. Однако в результате излучения тепла с поверхности в околоземное пространство происходило ее охлаждение. Образовались относительно холодная литосфера и земная кора. На большой глубине и сегодня высокие температуры. Рост температур с глубиной можно наблюдать непосредственно в глубоких шахтах и буровых скважинах, при извержении вулканов. Так, изливающаяся вулканическая лава имеет температуру 1200–1300 °C.

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 неизменными 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 °C через каждые 100 м. Однако величина эта непостоянна и зависит от состава горных пород, наличия вулканов, активности теплового излучения из недр Земли. Так, в России она колеблется от 1,4 м в Пятигорске до 180 м на Кольском полуострове.

Зная  радиус Земли, можно подсчитать, что  в центре ее температура должна достигать 200 000 °C. 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 50 000 °C.

Плотность Земли. Чем плотнее тело, тем больше масса единицы его объема. Эталоном плотности принято считать воду, 1 см³ которой весит 1 г, т. е. плотность воды равна 1 г/с³. 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/см³, а базальты – более 2 г/см³. Средняя плотность Земли составляет 5,52 г/см³– это в 2 с лишним раза больше плотности гранита^[3]. В центре Земли плотность слагающих ее пород возрастает и составляет 15–17 г/см³.

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 10⁴гПа, а в верхней мантии оно превышает 6 * 10⁴гПа. 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.

1.2. Внешние процессы, преображающие поверхность Земли

Одновременно  с внутренними, тектоническими процессами на Земле действуют процессы внешние. В отличие от внутренних, охватывающих всю толщу литосферы, они действуют  только на поверхности Земли. Глубина их проникновения в земную кору не превышает нескольких метров и лишь в пещерах – до нескольких сот метров. Источником происхождения сил, вызывающих внешние процессы, служит тепловая солнечная энергия.

Внешние процессы очень разнообразны. К ним относятся выветривание горных пород, работа ветра, воды и ледников.

Выветривание. Оно подразделяется на физическое, химическое и органическое.

Физическое  выветривание– это механическое раздробление, измельчение горных пород.

Происходит  оно при резком изменении температуры. При нагревании порода расширяется, при охлаждении – сжимается. Так  как коэффициент расширения разных минералов, входящих в породу, неодинаков, процесс ее разрушения усиливается. Вначале порода распадается на крупные глыбы, которые с течением времени измельчаются. Ускоренному разрушению породы способствует вода, которая, проникая в трещины, замерзает в них, расширяется и разрывает породу на отдельные части. Наиболее активно физическое выветривание действует там, где происходит резкая смена температуры, а на поверхность выходят твердые магматические породы – гранит, базальт, сиениты и т. д.

Химическое  выветривание– это химическое воздействие на горные породы различных водных растворов.

При этом, в отличие от физического выветривания, происходят разнообразные химические реакции, а вследствие этого изменение химического состава и, возможно, образование новых горных пород. Действует химическое выветривание повсеместно, но особенно интенсивно протекает в легкорастворимых породах – известняках, гипсах, доломитах.

Органическое  выветривание представляет собой процесс разрушения горных пород живыми организмами – растениями, животными и бактериями.

Лишайники, например, поселяясь на скалах, истачивают их поверхность выделяемой кислотой. Корни растений также выделяют кислоту, а кроме того, корневая система действует механически, как бы разрывая породу. Дождевые черви, пропуская через себя неорганические вещества, преобразуют породу и улучшают доступ в нее воды и воздуха.

Выветривание и климат. Все виды выветривания протекают одновременно, но действуют с разной интенсивностью. Зависит это не только от слагающих пород, но и главным образом от климата.

В полярных странах наиболее активно проявляется  морозное выветривание, в умеренных – химическое, в тропических пустынях – механическое, во влажных тропиках – химическое.

Ветер способен разрушать горные породы, переносить и откладывать их твердые  частицы. Чем сильнее ветер и  чем чаще он дует, тем большую  работу он способен производить. Там, где на поверхность Земли выходят скалистые обнажения, ветер бомбардирует их песчинками, постепенно стирая и разрушая даже самые твердые породы. Менее устойчивые породы разрушаются быстрее, возникают специфические, эоловые формы рельефа – каменные кружева, эоловые грибы, столбы, башни.

В песчаных пустынях и по берегам морей и  крупных озер ветер создает специфические  формы рельефа – барханы и  дюны.

Снег, особенно в горах, выполняет значительную работу. На склонах гор накапливаются  огромные массы снега. Время от времени они срываются со склонов, образуя снежные лавины. Такие лавины, двигаясь с огромной скоростью, захватывают обломки скал и увлекают вниз, сметая все на своем пути. За грозную опасность, которую несут снежные лавины, их называют «белой смертью».

Твердый материал, который остается после  таяния снега, образует громадные каменистые бугры, перегораживающие и заполняющие  межгорные впадины.

Еще большую  работу выполняют ледники. Они занимают на Земле громадные площади – более 16 млн км², что составляет 11 % площади суши.

Различают ледники материковые, или покровные, и горные. Материковые льды занимают огромные площади в Антарктиде, Гренландии, на многих полярных островах. Толщина льда материковых ледников неодинакова. Например, в Антарктиде она достигает 4000 м. Под действием громадной тяжести лед сползает в море, обламывается, и образуются айсберги – ледяные плавучие горы.

У горных ледников различают две части – области питания или накопления снега и таяния. Накапливается снег в горах выше снеговой линии. Высота этой линии в разных широтах неодинакова: чем ближе к экватору, тем выше снеговая линия. В Гренландии, например, она лежит на высоте 500–600 м, а на склонах вулкана Чимборасо в Андах – 4800 м.

Выше  снеговой линии снег накапливается, уплотняется и постепенно превращается в лед. Лед обладает пластическими свойствами и под давлением вышележащих масс начинает скользить по склону вниз. В зависимости от массы ледника, его насыщенности водой и крутизны склона скорость движения колеблется от 0,1 до 8 м в сутки.

Двигаясь  по склонам гор, ледники выпахивают рытвины, сглаживают выступы скал, расширяют  и углубляют долины. Обломочный материал, который ледник захватывает при  своем движении, при таянии (отступлении) ледника, остается на месте, образуя  ледниковую морену. Морена – это груды обломков скал, валунов, песка, глины, оставленные ледником. Различают морены донные, боковые, поверхностные, срединные и конечные.

Горные  долины, по которым когда-либо проходил ледник, легко отличить: в этих долинах  всегда обнаруживаются остатки морен, а форма их напоминает корыто. Такие долины называют трогами.

Работа  текучих вод с учетом фактора  времени грандиозна. Можно сказать, что весь облик земной поверхности  в той или иной мере создан текучей  водой. Все текучие воды объединяет то, что они производят три вида работ:

– разрушение (эрозию);

– перенос  продуктов (транзит);

– отношение(аккумуляцию).

В результате образуются разнообразные неровности на поверхности Земли – овраги, борозды на склонах, обрывы, долины рек, песчаные и галечные острова и т. д., а также пустоты в толще горных пород – пещеры.

Действие  силы тяжести. Все тела – жидкие, твердые, газообразные, находящиеся на Земле, – притягиваются к ней.

Под действием  этой силы все тела стремятся занять самое низкое положение на земной поверхности. В результате возникают водные потоки в реках, дождевые воды просачиваются в толщу земной коры, обрушиваются снежные лавины, движутся ледники, вниз по склонам перемещаются обломки горных пород. Сила тяжести – необходимое условие действия внешних процессов. В противном случае продукты выветривания оставались бы на месте их образования, покрывая, как плащом, нижележащие породы.

Глава 2.Земля – современная  модель.

Глава 3. Методы изучения строения земли.

Методы изучения строения земли включают как собственно геологические, так и методы сопряженных наук (почвоведения, археологии, гляциологии, геоморфологии ).                                                                                                               В числе главных методов можно назвать следующие:

1. Методы  полевой геологической съемки –  изучение геологических обнажений, извлеченного при бурении скважин  кернового материала, слоев горных пород в шахтах, изверженных вулканических  продуктов, непосредственное изучение протекающих на поверхности геологических процессов.

2. Геофизические методы – используются для изучения глубинного строения земли и литосферы. Сейсмические методы, основанные на изучении скорости распространения продольных и поперечных волн, позволили выделить внутренние оболочки Земли. Гравиметрические методы, изучающие вариации силы тяжести на поверхности Земли, позволяют обнаружить положительные и отрицательные гравитационные аномалии и, следовательно, предполагать наличие определенных видов полезных ископаемых. Палеомагнитный метод изучает ориентировку намагниченных кристаллов в слоях горных пород. Осаждающиеся кристаллы феромагнитных минералов ориентируются своей длиной и осью в соответствии с направлениями силовых линий магнитного поля и знаками намагниченности полюсов Земли. Метод основан на инверсии знака полярности магнитных полюсов. Современные знаки намагниченности полюсов (эпоха Брюнес) Земля приобрела 700 000 лет назад. Предыдущая эпоха обратной намагниченности – Матуяма.

3. Астрономические и космические методы основаны на изучении метеоритов, приливно-отливных движений литосферы, а также на исследовании других планет и Земли (из космоса). Позволяют глубже понять суть происходящих на Земле и в космосе процессов.

4. Методы  моделирования позволяют в лабораторных условиях воспроизводить и изучать геологические процессы.

5. Метод актуализма – протекающие ныне в определенных условиях геологические процессы ведут к образованию определенных комплексов горных пород. Следовательно, наличие в древних слоях таких же пород свидетельствуют об определенных, идентичных современным процессах, происходивших в прошлом.

6. Минералогические  и петрографические методы изучают  минералы и горные породы (поиск  полезных ископаемых, восстановление истории развития Земли).

Заключение

Другие  планеты земной группы, возможно, имеют  подобные структуры и составы  с некоторыми отличиями: у Луны маленькое  ядро; у Меркурия очень большое  ядро относительно диаметра планеты; мантии Марса и Луны намного более  толстые; у Луны и Меркурия нет отчетливой с химической точки зрения коры; Земля - единственная планета с отчетливо определяемым внутренним и внешним ядром. Обратите внимание, однако, что наши знания относительно внутреннего строения планет носят все же теоретический характер даже для Земли.                                                                                     

Исследование  глубинного строения Земли относится  к наиболее крупным и актуальным направлениям геологических наук. Новая  стратификация мантии Земли позволяет  значительно менее схематично, чем прежде, подойти к сложной проблеме глубинной геодинамики. Различие в сейсмических характеристиках земных оболочек (геосфер), отражающих различие в их физических свойствах и минеральном составе, создает возможности для моделирования геодинамических процессов в каждой из них в отдельности. Геосферы в этом смысле, как теперь совершенно ясно, обладают известной автономностью. Однако эта исключительно важная тема лежит за рамками данной работы. От дальнейшего развития сейсмотомографии, как и некоторых других геофизических исследований, а также изучения минерального и химического состава глубин будут зависеть существенно более обоснованные построения в отношении состава, структуры, геодинамики и эволюции Земли в целом. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список использованной литературы

1. Аруцев  А.А., Ермолаев Б.В., Кутателадзе И.О., Слуцкий М. Концепции современного  естествознания. С учебное пособие.  М. 1999

2. Петросова  Р.А., Голов В.П., Сивоглазов В.И., Страут  Е.К. Естествознание и основы  экологии. Учебное пособие для средних педагогических учебных заведений. М.: Дрофа, 2007, 303 стр.

3. Савченко  В.Н., Смагин В.П.. НАЧАЛА СОВРЕМЕННОГО  ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ КОНЦЕПЦИИ И ПРИНЦИПЫ. Учебное пособие. Ростов-на-Дону. 2006.