Способ изучения строения земли

Способ изучения строения земли

Тульский государственный педагогический университет им Л.Н. Толстого
Кафедра экологии
Голынская Ф.А.

e-mail:
tgpu@tula.net ГЕОЛОГИЯ

Цикл геологических наук. Оболочечное строение Земли.

I. Предмет и задачи геологии.

Геология – одна из фундаментальных естественных наук, изучающая строение, состав, происхождение и развитие Земли. Она исследует сложные явления и процессы, протекающие на ее поверхности и в недрах. Современная геология опирается на многовековой опыт познания Земли и разнообразные специальные методы исследования. В отличии от других наук о Земле, геология занимается исследованием ее недр. Основные задачи геологии состоят в изучении наружной каменной оболочки планеты – земной коры и взаимодействующих с ней внешних и внутренних оболочек Земли (внешние – атмосфера, гидросфера, биосфера; внутренние – мантия и ядро).

Объектами непосредственного изучения геологии являются минералы, горные породы, ископаемые органические остатки, геологические процессы.

2. Цикл геологических наук.

Геология тесно связана с другими науками о Земле, например с астрономией, геодезией, географией, биологией. Геология опирается на такие фундаментальные науки как математика, физика, химия. Геология является синтетической наукой, хотя в то же время распадается на множество взаимосвязанных отраслей, научных дисциплин, изучающих Землю в разных аспектах и получающих сведения об отдельных геологических явлениях и процессах. Так, изучением состава литосферы занимаются: петрология, исследующая магматические и метаморфические породы, литология, изучающая осадочные горные породы, минералогия – наука, изучающая минералы как природные химические соединения и геохимия – наука о распределении и миграции химических элементов в недрах земли.

Геологические процессы, формирующие рельеф земной поверхности, изучает динамическая геология, частью которой являются геотектоника, сейсмология и вулканология.

Раздел геологии, занимающийся изучением истории развития земной коры и Земли в целом, включает стратиграфию, палеонтологию, региональную геологию и носит название «Историческая геология.

Есть в геологии науки, имеющие большое практическое значение. Такие, как о месторождениях полезных ископаемых, гидрогеология, инженерная геология, геокриология.

В последние десятилетия появились и приобретают все большее значение науки связанные с исследованием космоса (космическая геология), дна морей и океанов (морская геология).

Наряду с этим есть геологические науки, находящиеся на стыке с другими естественными науками: геофизика, биогеохимия, кристаллохимия, палеоботаника. К таковым относятся также геохимия и палеогеография. Наиболее близкая и разносторонняя связь геологии с географией. Для географических наук, таких как ландшафтоведение, климатология, гидрология, океанография, более всего важны геологические науки, изучающие процессы, влияющие на формирование рельефа земной поверхности и историю образования земной коры всей Земли.

3. Методы изучения земных недр.

В геологии применяют прямые, косвенные, экспериментальные и математические методы.

Прямые – это методы непосредственных наземных и дистанционных (из тропосферы, космоса) изучений состава и строения земной коры. Основной – геологическая съемка и картирование. Изучение состава и строения земной коры производится путем изучения естественных обнажений (обрывы рек, оврагов, склоны гор), искусственных горных выработок (каналы, шуффы, карьеры, шахты) и буровых скважин (мах – 3,5 – 4 км. в Индии и ЮАР, Кольская скважина – более 12 км., проект 15 км.) В горных районах можно наблюдать естественные разрезы в долинах рек, вскрывающих толщи горных пород, собранных в сложные складки и поднятых при горообразовании с глубин 16 – 20 км. Таким образом, метод непосредственного наблюдения и исследования слоев горных пород применим лишь к небольшой, самой верхней части земной коры. Лишь в вулканических областях по извергнутой из вулканов лаве и по твердым выбросам можно судить о составе вещества на глубинах 50 – 100 км. и больше, где обычно располагаются вулканические очаги.

Косвенные – геофизические методы, которые основаны на изучении естественных и искусственных физических полей Земли, позволяющие исследовать значительные глубины недр.

Различают сейсмические, гравиметрические, электрические, магнитометрические и др. геофизические методы. Из них наиболее важен сейсмический («сейсмос» – трясение) метод, основанный на изучении скорости распространения в Земле упругих колебаний, возникающих при землетрясениях или искусственных взрывах. Эти колебания называются сейсмическими волнами, которые расходятся от очага землетрясений. Бывают 2 типа: продольные Vp, возникающие как реакция среды на изменения объема, распространяются в твердых и жидких телах и характеризуются наибольшей скоростью, и поперечные волны Vs, представляющие реакцию среды на изменение формы и распространяются только в твердых телах. Скорость движения сейсмических волн в разных горных породах различна и зависит от их упругих свойств и их плотности. Чем больше упругость среды, тем быстрее распространяются волны. Изучение характера распространения сейсмических волн позволяет судить о наличии различных оболочек шара с разной упругостью и плотностью.

Экспериментальные исследования направлены на моделирование различных геологических процессов и искусственное получение различных минералов и горных пород.

Математические методы в геологии направлены на повышение оперативности, достоверности и ценности геологической информации.

4. Строение Земли.

Выделяют 3 оболочки Земли: ядро, мантию и земную кору.

Ядро – наиболее плотная оболочка Земли. Полагают, что внешнее ядро находится в состоянии, приближающемся к жидкому. Температура вещества достигает 2500 – 3000 0 С, а давление

300Гпа. Внутреннее ядро, предположительно находится в твердом состоянии. Состав внешнего и внутреннего

одинаков – Fe – Ni, близкий к составу метеоритов.

Мантия – самая крупная оболочка Земли. Масса – 2/3 массы планеты. Верхняя мантия характеризуется вертикальной и горизонтальной неоднородностью. Под континентами и океанами ее строение существенно отличается. В океанах на глубине

50 км., а материках – 80 – 120 км. начинается слой пониженных сейсмических скоростей, который носит название сейсмического волновода или астеносферы ( т.е. геосфера «без прочности») и отличается повышенной пластичностью. (Волновод распространяется под океанами до 300 – 400 км., под материками — 100- 150 км. ) К ней приурочено большинство очагов землетрясений. Полагают, что в ней возникают магматические очаги, а также зона подкорковых конвекционных течений и зарождение важнейших эндогенных процессов.

В. В. Белоусов объединяет земную кору, верхнюю мантию, включая астеносферу в тектоносферу.

Промежуточный слой и нижняя мантия отличаются более однородной средой, чем верхняя мантия.

Верхняя мантия сложена преимущественно ферро-магнезиальными силикатами (оливин, пироксены, гранаты), что соответствует перидотитовому составу пород. В переходном слое С основной минерал – оливин.

Химический состав: оксиды Si, Al? Fe (2+, 3+), Ti, Ca, Mg, Na, K, Mn. Преобладают Si и Mg.

5. Земная кора.

Земная кора – это верхняя оболочка Земли, сложенная магматическими, метаморфическими и осадочными породами, мощностью от 7 до 70 – 80 км. Это наиболее активный слой Земли. Для нее характерен магматизм и проявления тектонических процессов.

Нижняя граница земной коры симметрична поверхности Земли. Под материками она глубоко опускается в мантию, и под океанами приближается к поверхности. Земная кора с верхней мантией до верхней границы астеносферы ( т.е. без астеносферы) образует литосферу.

В вертикальном строении земной коры выделяют три слоя, сложенных различными по составу, свойствам и происхождению породам.

1 слой – верхний или осадочный (стратосфера) сложен осадочными и вулканогенно-осадочными породами, глинами, глиняными сланцами, песчаными, вулканогенными и карбонатными породами. Слой покрывает почти всю поверхность Земли. Мощность в глубоких впадинах достигает 20 – 25 км., в среднем – 3 км.

Для пород осадочного чехла характерна слабая дислоцированность, сравнительно низкие плотности и небольшие изменения, соответствующие диагенетическим.

2 слой – средний или гранитный ( гранито – гнейсовый), породы имеют сходство со свойствами гранитов. Сложена: гнейсами, гранодиоритами, диоритами, окализами, а так же габбро, мраморами, силинитами и др.

Породы этого слоя разнообразны по сотаву и степени их дислоцированности. Они могут быть неизменными и метаморфированными. Нижняя граница гранитного слоя называется сейсмический раздел Конрада. Мощность слоя – от 6 до 40 км. На отдельных участках Земли этот слой отсутствует.

3 слой – нижний, базальтовый состоит из более тяжелых пород, которые по свойствам близки к магматическим породам, базальтам.

В отдельных местах между базальтовым слоем и мантией залегает так называемый эклогитовый слой с более высокой плотностью, чем базальтовый.

Средняя мощность слоя в континентальной части

20 км. Под горными хребтами достигает 30 – 40 км., а под впадинами снижается до 12 – 13 и 5-7 км.

Средняя мощность земной коры в континентальной части (Н. А. Белявский) –40,5 км., мин. – 7 – 12 км. в океанах, макс. – 70 – 80 км. (высокогорье на континентах).

Источник

Основные сведения о внутреннем строении Земли

Планета в разрезе

География изучает поверхность Земли, строение и состав входящих в нее элементов: как выглядела планета в исторической перспективе, зачем изучать изображения Земли, каковы перспективы развития.

Существует деление внутренней составляющей планеты на слои по механическим или химическим свойствам.

Выделяют три основных слоя в строении планеты Земля:

Краткие сведения о структуре Земли

Земная кора — наружная часть литосферы. Особенности: континентальная земная кора имеет толщину 30-70 км, а океаническая кора — 5-7 км. Это каменная оболочка земли. Она покрывает всю планету. Состоит из горных пород, минералов и биогенных отложений.

Состав земной коры определяется с помощью химического анализа.

Схема состава земной коры: кремний и кислород + алюминий, железо, кальций, магний, натрий, калий, титан и малая доля других элементов.

Большую часть земной коры покрывает вода — гидросфера. Меньшая часть коры взаимодействует с воздушной оболочкой планеты — атмосферой.

Кора под континентами (материковая или континентальная) легче, чем океаническая. Кора под океанами состоит из осадочного и базальтового слоев.

Характеристика слоев континентальной коры:

1. Осадочный — около 10-15 км осадочных пород. Образовался в результате накопления осадков. Осадки: ил, органические остатки, глина, известняк, песок, мел. Этот слой легко поддается выветриванию и вымыванию.
2. Гранитный — около 5-15 км метаморфических пород. Свойства сходны с гранитом. Образовался в результате застывания раскаленной магмы. Является промежуточным слоем земной коры с кристаллической структурой.
3. Базальтовый — около 10-35 км магматических пород. Возник в результате извержения вулканов. Находится на границе с мантией. Структура пород не изучена.

Слои океанической земной коры ограничиваются осадочным и базальтовым слоями.

Литосфера — твердая оболочка Земли. Ее толщина составляет 70 км. В нее входят земная кора и верхняя часть мантии.

Мантию характеризуют слои:

1. Часть литосферы* — холодная, твердая прослойка планеты. Она входит в состав тектонических плит и плавает поверх астеносферы. Не является слоем мантии как таковым.
2. Астеносфера — толщина примерно 200 км. Это полужидкий слой пород, который нагрет теплом. Слой подвижен и пластичен. Тепло выделилось в результате реакций радиоактивного распада. Из астеносферы в земную кору изливается магма. Когда магма застывает на поверхности Земли, она превращается в лаву.
3. Нижняя мантия — толщина составляет около 2500 км. В этом слое высокие температуры, но породы остаются в твердом состоянии из-за возрастающего давления.

Общая толщина мантии составляет около 2900 км.

Мантию иногда называют покрывалом ядра.

Ядро состоит из:

1. Внешнего ядра — толщина 2200 км. Это горячий сплав железа в жидком состоянии. Во внешнем ядре создается магнитное поле Земли: внутреннее ядро как бы плавает во внешнем. Из-за движения и создается магнитное поле, которое защищает Землю от космических излучений. На него же реагирует стрелка компаса.
2. Внутреннего ядра — радиус 1270 км. Это горячий сплав железа и никеля. Большое давление сжимает внутреннюю область до твердого состояния.

В конце XIX века ирландский геофизик Роберт Маллет положил начало науке сейсмологии.

Сейсмологией называется раздел геофизики, который изучает землетрясения, их причины, природу и последствия.

Носителями сейсмологической информации выступают сейсмические волны.

Сейсмические исследования дают представление о слоистой структуре Земли. Определяют физические свойства и динамику недр нашей планеты и других.

Термин сейсмология произошел от греческих слов seismos — колебание, землетрясение и logos — слово, учение.

Серия концентрических слоев становится плотнее ближе к центру. На плотность влияют два фактора: температура и давление. Температура в центре Земли достигает 3 000 °C. На границе между мантией и корой падает до 375 °C. Под действием давления породы твердеют и уплотняются.

Как образовалась столь сложная структура Земли

Происхождение планеты.

Обширное облако газа и пыли начало сжиматься в крупный шар. Силы гравитации притягивали большое количества вещества. Температура и давление в центе нарастали. Большое количество энергии породило термоядерный взрыв. Загорелась звезда.

Эта звезда вращалась и притягивала на свою орбиту небольшие соседние тела. Они слипались в комки.

Земля и Луна родились из хаоса.

Земля образовалась из обломков звезд ранних поколений. Молекулы газа и частицы пыли объединялись. Образовывались глыбы и камни. Они состояли из частиц льда, железа и других веществ, которые были выброшены в космос. Силы притяжения сталкивали частицы и склеивали между собой.

Мелкие частицы соединялись в более крупные — планетезимали. Они сталкивались, разрушались и соединялись. Гравитация объектов росла, все больше вещества образовывалось. Появлялись раскаленные тела — прототипы планет.

Так постепенно возникло ядро планеты Земля.

Земля подвергалась бомбардировкам, сталкивалась с планетами, группами метеоритов. Один из таких ударов мог образовать Луну.

Энергия столкновения могла расплавить верхние слои земной коры и изменить геологию планеты. Земля могла расплавиться до самого ядра. Формирование твердой поверхности началось заново.

Неизвестно, в какой временной промежуток Земля обзавелась корой. Сегодняшняя кора по возрасту достигает 3,8 миллиарда лет. Большинство утесов изменилось под влиянием температур и давления.

Сейчас Земля покрыта несколькими большими жесткими плитами, которые постоянно движутся и трутся друг о друга. Это тектоника плит или платформ. Земные породы постоянно перемешиваются и преобразуются. Без таких процессов у планеты не было бы стабильного климата, запасов нефти и минералов.

Предположения о ядре

Ядро начинается на глубине 2890 км. Его радиус составляет 3470 км.

В ядре принято изображать два слоя: внутреннее ядра и внешнее. Но так было не всегда.

В начале времен планета Земля не обладала структурой. Затем железо и никель устремились к центру планеты. Как это произошло, точно неизвестно. Но есть предположение, что ядро образовалось внезапно, когда тяжелые вещества двигались вглубь планеты. Другие считают, что железо медленно проникало в ядро.

Ядро сформировалось, когда планете было 30-100 миллионов лет. Вихревые движения в жидком ядре запустили 3,5 миллиарда лет назад магнитное поле. Потом в промежутке от 1,5 до 1 миллиарда лет назад температура в центре ядра снизилась. В ядре произошла кристаллизация. Образовалось твердое ядро.

В XVII веке Э. Галлей предположил, что Земля состоит из полого корпуса. Его толщина составила около 500 миль. Две концентрические оболочки образовались вокруг внутреннего ядра. Диаметры соответствовали диаметрам Венеры, Марса и Меркурия. Но перечисленные научные данные из области геофизики, геодезии, астрономии и химии в XIX веке опровергли эту гипотезу.

Методы исследования структуры Земли

Представления о строении Земли, изучение процесса строятся на основании данных топографии, батиметрии и гравиметрии.

Топография — на основе наземных, воздушных и космических съемочных работ изучает методы изображения географических участков местности. На их основе создают топографические карты и планы.

Научная дисциплина может рассматриваться как самостоятельный раздел картографии и геодезии.

Батиметрия — изучает рельеф подводной части мирового океана, озер, рек и т. д. Результатами работы становятся батиметрические съемки нужного региона.

Название дисциплины соединяет греческие термины «глубина» и «мера».

Данные батиметрии используют для навигации и научных изысканий.

Гравиметрия — наука об измерении величин гравитационного поля Земли и других небесных тел.

Данные представляются схемами и таблицами.

Также представления о строении Земли формируются на основе наблюдения горных пород в обнажениях, образцах, которые подняли с больших глубин; анализа сейсмических волн и экспериментах с кристаллическими телами при температурах и давлениях, близких к недрам планеты.

Ядро исследуют с помощью анализа радиоактивных изотопов, которые содержаться в вулканических породах глубоко внутри Земли.

Вещества, которые входят в состав мантии, еще до конца не изучены, сведений мало. Ответы на вопросы находят путем выдвижения гипотез и лабораторных экспериментов.

Мантия находится глубоко под Землей. Самые глубокие буровые скважины не доходят до нее. При прорыве газов через земную кору образуются кимберлитовые трубки. Через них поступают мантийные породы и минералы.

Один из известных — алмаз.

Мантию можно исследовать с помощью нейтрино.

Нейтрино — нейтральные частицы, практически не имеющие массы.

Эти частицы — разновидность антивещества, антинейтрино — выделяются в результате радиоактивного распада урана, тория и других радиоактивных изотопов глубоко под землей.

Анализ земной коры проводят с использованием кремния и алюминия. Их находят в континентальных областях. В сочетании с кислородом они дают гранит. Под океанским дном — базальтовые породы. В них преобладает кремний, магний и железо.

Но чистых образцов пород из мантии добыть не удалось.

Те породы, которые оказываются на поверхности — загрязнены.

При извержении вулканов выбрасываются сгустки мантии. В них содержится оливин и пироксен. В них много магния и железа.

Ученые пытаются узнать истину: строят предположения о составе мантии, используют косвенные доказательства. Они разработали детекторы для обнаружения антинейтрино. Человек становится ближе к пониманию основ.

Источник