Реферат: Геологические сведения о Земле

[3] В нижней мантии на глубине 2900 км отмечается резкий скачок не только в скорости продольных волн, но и в плотности, а поперечные волны здесь исчезают совсем, что указывает на смену вещественного состава пород. Это внешняя граница ядра Земли[2] .

[4-5] Земное ядро открыто в 1936 году. Получить его изображение было чрезвычайно трудно из-за малого числа сейсмических волн, достигавших его и возвращавшихся к поверхности. Кроме того, экстремальные температуры и давления ядра долгое время трудно было воспроизвести в лаборатории. Земное ядро разделяется на 2 отдельные области: жидкую (внешнее ядро) и твердую (внутреннее), переход между ними лежит на глубине 5156 км. Железо - элемент, который соответствует сейсмическим свойствам ядра и обильно распространен во Вселенной, чтобы представить в ядре планеты приблизительно 35% ее массы. По современным данным, внешнее ядро представляет собой вращающиеся потоки расплавленного железа и никеля, хорошо проводящие электричество. Именно с ним связывают происхождение земного магнитного поля, считая, что, электрические токи, текущие в жидком ядре, создают глобальное магнитное поле. Слой мантии, находящийся в соприкосновении с внешним ядром, испытывает его влияние, поскольку температуры в ядре выше, чем в мантии. Местами этот слой порождает огромные, направленные к поверхности Земли тепломассопотоки - плюмы.

[6] Внутреннее твердое ядро не связано с мантией. Полагают, что его твердое состояние, несмотря на высокую температуру, обеспечивается гигантским давлением в центре Земли. Высказываются предположения о том, что в ядре помимо железоникелевых сплавов должны присутствовать и более легкие элементы, такие как кремний и сера, а возможно, кремний и кислород. Вопрос о состоянии ядра 3емли до сих пор остается дискуссионным. По мере удаления от поверхности увеличивается сжатие, которому подвергается вещество. Расчеты показывают, что в земном ядре давление может достигать 3 млн. атм. При этом многие вещества как бы металлизируются - переходят в металлическое состояние. Существовала даже гипотеза, что ядро Земли состоит из металлического водорода.

Формирование Земли сопровождалось дифференциацией вещества, которой способствовал постепенный разогрев земных недр, в основном за счёт теплоты, выделявшейся при распаде радиоактивных элементов (урана, тория, калия и др.). Результатом этой дифференциации явилось разделение Земли на концентрически расположенные слои — геосферы, различающиеся химическим составом, агрегатным состоянием и физическими свойствами. В центре образовалось ядро Земли, окруженное мантией. Из наиболее лёгких и легкоплавких компонентов вещества, выделившихся из мантии в процессах выплавления возникла, расположенная над мантией земная кора. Совокупность этих внутренних геосфер, ограниченных твёрдой земной поверхностью, иногда называют "твёрдой" Землей (хотя это не совсем точно, поскольку установлено, что внешняя часть ядра обладает свойствами вязкой жидкости). "Твёрдая" Земля заключает почти всю массу планеты (см. табл. 1). За её пределами находятся внешние геосферы — водная (гидросфера) и воздушная (атмосфера), которые сформировались из паров и газов, выделившихся из недр Земли при дегазации мантии. Дифференциация вещества мантий Земли и пополнение продуктами дифференциации земной коры, водной и воздушной оболочек происходили на протяжении всей геологической истории и продолжаются до сих пор.

Табл. 1. Схема строения Земли (без верхней атмосферы и магнитосферы)Геосферы

Расстояние нижней* границы от поверхности Земли, км	Объём, 1018 м3	Масса, 1021 кг	Доля массы геосферы от массы Земли, %
Атмосфера, до высоты	2000**	1320	~0,005	~ 10 -6
Гидросфера	до 11	1,4	1,4	0,02
Земная кора	5-70	10,2	28	0,48
Мантия	до 2900	896,6	4013	67,2
Ядро	6371 (центр Земли)	175,2	1934	32,3
Вся Земля (без атмосферы)	1083,4	5976	100,0

*Кроме атмосферы.

**Атмосфера в целом простирается до высоты ~ 20 тыс. км.

Мантийное вещество, частично расплавляясь, образует магму, которая извергается на поверхность Земли, формируя вулканические (эффузивные) горные породы. Состав этих пород должен в некоторой степени отражать химический состав мантии. Кроме того, в вулканических породах содержатся фрагменты пород мантии, которые магма захватывает во время своего подъема к поверхности Земли. Исследование таких фрагментов (их геологи называют ксенолитами) дает наиболее непосредственную информацию о химическом составе мантии.

Однако следует отметить, что при частичном плавлении мантийного вещества в первую очередь в расплав переходят породы и минералы, имеющие более низкую температуру плавления. В результате начинается так называемый процесс дифференциации (разделения) вещества, и поэтому вулканические породы по своему составу, вообще говоря, отличаются от исходного мантийного вещества. С другой стороны, ксенолиты, хотя и с очень большой вероятностью представляют собой мантийное вещество, но их содержание в вулканических породах настолько мало, что делать выводы о составе вещества мантии в целом на основании анализа ксенолитов вряд ли правомочно.

2. Отличие Земли от других планет земной группы

Планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) близки по размерам и химическому составу. Средняя плотность их вещества от 5,52 до 3,97 г/см3. Характерная черта всех планет земной группы - наличие твердой литосферы. Рельеф их поверхности сформировался в результате действия внешних (удары тел, падающих на планеты с огромными скоростями) и внутренних (тектонические движения и вулканические явления) факторов. Также у всех планет земной группы кроме Меркурия имеется атмосфера. Земля отличается от других планет земной группы высокой степенью химической дифференциации вещества и широким распространением гранитов в коре, а также наличием атмосферы пригодной для жизни.

Атмосферы Марса и Венеры весьма близки по своему составу между собой, но в то же время значительно отличаются от земной. Для объяснения причин такого различия приходится обратиться к рассмотрению эволюционных изменений, происходящих на протяжении длительных промежутков лет. Считается, что атмосфера Марса и Венеры в основном сохранили тот состав, который когда-то имела Земля. За миллионы лет земная атмосфера в значительной степени уменьшила содержание углекислого газа и обогатилась кислородом за счет растворения углекислого газа в водах Мирового океана, который, по-видимому, никогда не замерзал, и за счет выделения кислорода появившейся на Земле растительностью. На Венере и Марсе эти процессы не могли происходить по простым причинам - отсутствие гидросферы и растительности. Современные исследования круговорота углекислого газа на нашей планете показывают, что только наличие гидросферы способно обеспечить сохранение температурного режима в пределах, необходимых для существования живых организмов.

МЕРКУРИЙ - планета, среднее расстояние от Солнца 0,387 астрономических единиц (58 млн. км), период обращения 88 суток, период вращения 58,6 суток, средний диаметр 4878 км, масса 3,3·1023 кг, в состав крайне разреженной атмосферы входят: Ar, Ne, He. Поверхность Меркурия по внешнему виду подобна лунной.

ВЕНЕРА - планета, среднее расстояние от Солнца 0,72 а. е., период обращения 224,7 суток, вращения 243 суток, средний радиус 6050 км, масса 4,9 . 10²⁴ кг. Атмосфера: CO₂ (97%), N₂ (ок. 3%), H₂ O (0,05%), примеси CO, SO₂ , HCl, HF. Температура у поверхности ок. 750 К, давление ок. 10⁷ Па, или 100 ат. На поверхности Венеры обнаружены горы, кратеры, камни. Поверхностные породы Венеры близки по составу к земным осадочным породам.

ЗЕМЛЯ - третья от Солнца большая планета Солнечной системы. Благодаря своим уникальным, быть может, единственным во Вселенной природным условиям, стала местом, где возникла и получила развитие органическая жизнь.

МАРС - планета, среднее расстояние от Солнца 228 млн. км, период обращения 687 суток, период вращения 24,5 ч, средний диаметр 6780 км, масса 6,4*1023 кг; 2 естественных спутника — Фобос и Деймос. Состав атмосферы: СО2 (»95%), N2 (2,5%), Ar(1,5-2%), СО(0,06%), Н2О (до 0,1%); давление на поверхности 5-7 гПа. Участки поверхности Марса, покрытые кратерами, похожи на лунный материк. Значительный научный материал о Марсе получен с помощью космических аппаратов «Маринер», «Марс», «Спирит», «Оппортьюнити».

3. Методы определения внутреннего строения и возраста Земли

Методы изучения внутреннего строения и состава Земли можно разделить на две основные группы: геологические методы и геофизические методы. Геологические методы базируются на результатах непосредственного изучения толщ горных пород в обнажениях, горных выработках (шахтах, штольнях и пр.) и скважинах. При этом в распоряжении исследователей имеется весь арсенал методов исследования сроения и состава, что определяет высокую степенью детальности получаемых результатов. Вместе с тем, возможности этих методов при изучении глубин планеты весьма ограничены – самая глубокая в мире скважина имеет глубину лишь -12262 м (Кольская сверхглубокая в России), ещё меньшие глубины достигнуты при бурении океанического дна (около -1500 м, бурение с борта американского исследовательского судна «Гломар Челленджер»). Таким образом, непосредственному изучению доступны глубины, не превышающие 0,19% радиуса планеты.

Сведения о глубинном строении базируются на анализе косвенных данных, полученных геофизическими методами, главным образом закономерностей изменения с глубиной различных физических параметров (электропроводности, механической добротности и т.д.), измеряемых при геофизических исследованиях. В основу разработки моделей внутреннего строения Земли положены в первую очередь результаты сейсмических исследований, опирающиеся на данные о закономерностях распространения сейсмических волн. В очагах землетрясений и мощных взрывов возникают сейсмические волны – упругие колебания. Эти волны разделяются на объёмные – распространяющиеся в недрах планеты и «просвечивающие» их подобно рентгеновским лучам, и поверхностные – распространяющиеся параллельно поверхности и «зондирующие» верхние слои планеты на глубину десятки – сотни километров.

Методы определения внутреннего возраста Земли

После открытия в конце XIX века французским физиком Анри Беккерелем явления радиоактивности и установления законов радиоактивного распада появился еще один способ определения абсолютного возраста геологических объектов. Радиоизотопные методы вскоре, если не вытеснили, то существенно потеснили остальные методы датирования. Во-первых, они, казалось бы, дают возможность абсолютного определения возраста, а, во-вторых, они давали очень большой возраст пород порядка миллиардов лет, который устраивал эволюционистов.

Рассмотрим сущность метода радиоизотопного датирования. Радиоактивный распад подобен песочным часам: по отношению числа атомов элемента, возникшего в результате распада, к числу атомов распадающегося элемента возможно определение продолжительности процесса распада. При этом считается, что скорость распада является постоянной величиной и не зависит от температуры, давления, химических реакций и других внешних воздействий. Чаще всего применяются методы и основанные на реакциях превращения атомных ядер. Процесс распада происходит в несколько стадий, от урана до свинца, их 14 и приводит к образованию стабильного изотопа Pb206. Ясно, что чем больше отношение числа атомов Pb206 к числу атомов U238 , тем старше должна быть проба, но при этом надо считаться с возможностью загрязнения свинцом Pb206 первоначальной породы.

4. Концепции развития геосферных оболочек и тектоника литосферных плит

В последние 30 лет признание получила концепция тектонических литосферных плит, согласно которой в течение всего мезозоя и кайнозоя материки перемещались по поверхности планеты. Рассмотрев карту мира как разрезную картинку, можно заметить, что Южная Америка и Африка, Антарктида, Австралия и Индостан – границы материков – хорошо совмещаются. Это обстоятельство было отмечено давно, но лишь в 1912 г. немецкий метеоролог и геолог Альфред Вегенер (1880–1930) сделал предположение о существовании единого праконтинента, его расколе и последующем движении образовавшихся континентов. Понадобилось более полувека, чтобы эта теория получила признание специалистов.

Теория тектонических литосферных плит существенно изменила представления об эволюции нашей планеты. Мы стали лучше понимать природу землетрясений и получили возможность улучшить их прогнозирование. Зная линии разломов земной коры, вдоль которых происходит смещение плит, можно наблюдать за этим смещением. Если оно замедляется или останавливается, это указывает на вероятность приближения сейсмического толчка или серии таких толчков. Теория литосферных плит сделала более понятным распределение полезных ископаемых.

Гидросфера (водная оболочка) покрывает 71 % поверхности планеты и включает в себя Мировой океан, моря, озера, реки и подземные воды. Вода – сильнейший, почти универсальный растворитель: в 1 т океанической воды содержится 35 кг различных солей. Одним из замечательных ее свойств является то, что ее твердая фаза (лед) имеет при температуре замерзания плотность меньшую, чем жидкая вода. Поэтому замерзание водоемов начинается сверху, где зимой температура атмосферы понижается, и в глубине сохраняются условия, благоприятные для жизни. Значительная часть воды содержится в криосфере – льдах Арктики и Антарктики, занимающей огромные пространства.

Атмосфера – газовая оболочка Земли, существенно отличается от атмосфер других планет Солнечной системы. Первоначально она состояла из водорода, водяных паров, углекислого газа, метана, аммиака и небольших количеств гелия и неона. На Земле углекислота была удалена химическими реакциями с горными породами при участии жидкой воды, а впоследствии и фотосинтезом растений. Современная атмосфера состоит из азота (около 80 %) и кислорода (около 20 %). Атмосфера подразделяется на несколько уровней – приземную тропосферу с интенсивным вертикальным и горизонтальным движением воздуха, стратосферу с озоновым слоем, мезосферу, ионосферу и экзосферу. Совокупность движений воздуха тропосферы образует атмосферную циркуляцию. Наблюдается широтное чередование сезонно смещающихся зон высокого и низкого давления, и отрывающиеся от них атмосферные вихри, связанные с областями низкого и высокого давления, называются циклонами и антициклонами.

Сложное взаимодействие трех геосфер – атмосферы, литосферы и гидросферы (возможно, и при неких дополнительных внешних воздействиях) привело в глубокой древности к формированию новой геосферы – биосферы, сферы жизни. Ее составляющей является и та часть материи, которая пытается познать строение Земли и Вселенной и определить свое место в ней, – люди.

5. Структура и химический состав атмосферы