Способы изучения оболочек земли

Методы изучения глубинного строения земли

Рассмотрим сначала методы и источники информации о глу­бинном строении Земли.

Бурение

Всем хорошо известны эти методы, однако далеко не все представляют их возможности и масштабы. Скважины глу­биной 3—7 км считаются глубокими, более 7 км — сверхглубокими. Практически все они пробурены в научных целях. Самая глубокая в мире Кольская сверхглубокая скважина глубиной 12 262 м была пробурена в Советском Союзе. Бурение было начато в 1970 г., пре­рывалось из-за аварий и прекращено в 1992 г. Первоначально пред­полагалось пробурить 15 км.

Бурение глубоких скважин — очень дорогое и продолжительное мероприятие. Бурение в научных целях усложняется необходи­мостью постоянного отбора образцов пород, поэтому оно под силу только богатым странам с развитой экономикой.

В мире сооружается довольно много (сотни в год) менее глу­боких (от сотен метров до нескольких километров), но тоже до­вольно значительных скважин для поиска и добычи нефти, газа и других полезных ископаемых. В год сооружаются многие тысячи скважин для водоснабжения и изысканий. Изыскательские сква­жины имеют целью изучение разреза и отбор образцов для проек­тирования и строительства. Их глубина — от нескольких метров до нескольких десятков метров. Любые скважины весьма полезны для изучения глубинного строения Земли, особенно тем, что поз­воляют непосредственно получать образцы пород, но одного бу­рения явно недостаточно.

Горные выработки — шахты и карьеры. Они дают очень много полезной информации, горные породы в них доступны для непосредственного наблюдения и изучения, но их глубина обычно со­ставляет десятки-сотни метров и редко превышает 1 км.

Схема Кольской сверхглубокой скважины

0-7 км, PR — вулканические породы(диабазы) песчаники, доломиты ; после 7 км, AR — гнейсы, амфиболиты, стволы скважины разошлись на 300м.

Обнажения горных пород на склонах

Обнажением называется участок выхода на поверхность геологического тела, перекрытого в других местах вышележащими породами.

При необходимости площадь обнажения можно увеличить, сделав расчистку. Обнажения позволяют подробно изучить горные породы, но глубина, на которую при этом можно заглянуть, опре­деляется глубиной эрозионного вреза и лишь в редчайших случаях превышает 1 км.

Геофизические методы

Геофи­зика — раздел геологии, основанный на изучении физических свойств горных пород, геологических тел и Земли в целом. Геофизика имеет несколько направлений, весьма эффективных при поиске полезных ископаемых, — это электроразведка, магнитораз­ведка, радиоразведка, гравиметрия, каротаж скважин и др. Методы являются косвенными, так как измеряются только физические па­раметры, а конкретные образцы горных пород на поверхность не извлекаются. При изучении глубинного строения Земли основ­ным является вклад сейсморазведки. Глубинность методов состав­ляет сотни и тысячи километров. Вкратце поясним суть сейсмичес­ких методов.

Обнажения пород на склоне

2 и 3 — открытые для наблюдения пласты; для изучения пластов 1, 4 и 5 требуются расчистки

Если на поверхности Земли произвести взрыв или просто сильный механический удар, внутри геологической среды воз­никнет сейсмическая волна, которая будет распространяться в глубь горных пород. При достижении геологических границ, где одна порода сменяет другую, сейсмическая волна частично про­ходит дальше и частично отражается от каждой геологической гра­ницы и возвращается на поверхность.

Если поставить соответствующее оборудование и измерить время, через которое сейсмическая волна вернется на поверхность, то, зная скорость прохождения сейсмической волны через горные породы различного состава, можно вычислить глубину залегания геологической границы. Зная положение геологических границ, можно вычислить скорости прохождения сейсмических волн через породы различного состава.

За счет различных приемов удается определить положение не одной, а многих геологических границ, в том числе и очень глу­боко залегающих, совершенно недоступных, например, для бу­рения. В целом разрез расчленяется на основе выделения пластов с различной скоростью прохождения сейсмических волн. Критерием правильности сейсмических методов является их эффектив­ность при поиске нефтегазовых и других месторождений.

Схема сейсмических методов в геофизике

Приводимые в последующих главах схемы строения Земли и земной коры построены на основе сейсмических методов. Геофи­зические работы намного дешевле бурения, они выполняются быстрее, поэтому на практике те и другие работы обычно применя­ются в комплексе, дополняя друг друга. Полагают, что выводы, сде­ланные только на основе геофизических поисков, не могут счи­таться окончательно подтвержденными, однако для построений, касающихся глубин более 10 км, сейсмические источники явля­ются единственными.

Магматические породы и современная магма

Считается, что магма приходит с глубин в сотни километров, однако не следует считать, что она точно представляет состав находящегося там ве­щества.

Залегание магматических пород

При движении вверх магма расплавляет находящиеся на ее пути породы, из-за этого сильно изменяется ее состав, поэтому сообра­жения о ее начальном составе могут быть лишь примерными, од­нако полученные геологические данные безусловно используются в практике.

Тектонически поднятый блок земной коры (на рисунке справа)

слой 5 показывает амплитуду поднятия

На рисунке показано залегание горных пород и поднятый по разлому тектонический блок. Амплитуда таких поднятий может составлять километры. В земной коре имеются регионы с по­добным блоковым строением, сложенные очень древними поро­дами и практически не перекрытые сверху более молодыми образо­ваниями.

Космические данные

Материал горных пород, находящийся на глубинах, превышающих глубинность бурения или амплитуду поднятия блоков земной коры, недоступен для конкретного иссле­дования. Стремясь как-то оценить химический состав Земли, гео­логи обращаются к; данным о составе метеоритов, лунного грунта и планет земной группы.

Итак, при изучении строения Земли на глубины (несколько ки­лометров) используются различные источники информации, но чем больше глубина, тем информации становится меньше. Для глубин примерно от 10 км до центра Земли единственный источник информации — сейсмические данные геофизики. Иллюстрация внутреннего строения Земли представлена на рисунке ниже.

Как можно видеть в ее строении выделяется несколько внут­ренних оболочек, называемых геосферами — земная кора, верхняя и нижняя мантия, внешнее и внутреннее ядро.

Источник

1.Глубинное строение Земли. Методы изучения внутреннего строения Земли.

Методы науки включают как собственно геологические, так и методы сопряженных наук (почвоведения, археологии, гляциологии, геоморфологии и проч.). 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 полевое 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 ферромагнитных минералов ориентируются своей длинной осью в соответствии с направлениями силовых линий магнитного поля и знаками намагниченности полюсов Земли. Метод основан на непостоянстве (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 свидетельствует 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).

Земля неоднородна по своему составу, на глубинах ее, как предполагают, находятся тяжелые плотные массы. К этому выводу еще в прошлом веке пришел известный французский ученый А. Добре. Он отметил, что вычисленная Ньютоном в 1736 году (по отношению объема и массы) плотность Земли значительно больше, чем плотность горных пород, известных нам на ее поверхности (удельный вес гранитов 2,8 грамма в кубическом сантиметре). А следовательно, рассуждал этот ученый, на глубине должны находиться значительно более тяжелые массы. Чтобы представить возможный состав глубинных недр Земли, А. Добре в середине прошлого века обратился к метеоритам. Он считал, что метеориты образовались из обломков разрушенных планет, похожих на Землю, и поэтому по ним можно представить и состав нашей Земли. Среди метеоритов — космических тел, падающих на Землю, — уже давно были известны разные их типы: металлические или железные, содержащие, кроме железа, также никель; железокаменные и преобладающие — каменные. По мнению Добре, именно такой разнородный материал и слагает нашу Землю. Тяжелый материал из железа и никеля сконцентрировался в ядре планеты, которое было названо «нифе» (никель — железо). Оболочку ядра, сложенную тяжелыми силикатами железа и магния, сходными по составу с каменными метеоритами, — «сима» (силиций и магний). Подобные породы действительно находят среди ультраосновных (бедных кремнекислотой) силикатных пород — перидотитов, встречающихся в глубинных трещинах земной коры. Самую внешнюю легкую оболочку назвали «сиаль». Для нее характерны породы типа гранитов, богатых алюминием и кремнеземом.

2.Мантия Земли. Поверхность Мохоровичича. Слой Гуттенберга. Астеносфера. Литосфера. Тектоносфера. Изменение мощности литосферы под океанами и на континентах. Сейсмической раздел между верхней и нижней мантией.

Мантия — часть Земли, от земной коры и до границы с ядром. В мантии находится большая часть вещества Земли. Мантия есть и на других планетах. Земная мантия находится в диапазоне от 30 до 2 900 км. В ее пределах по сейсмическим данным выделяются: верхняя мантия слой В глубиной до 400 км и С до 800-1000 км (некоторые исследователи слой С называют средней мантией); нижняя мантия слой D до глубины 2700 с переходным слоем D1 от 2700 до 2900 км.

Границей между корой и мантией служит граница Мохоровичича или, сокращенно, Мохо. На ней происходит резкое увеличение сейсмических скоростей — от 7 до 8—8,2 км/с. Находится эта граница на глубине от 7 (под океанами) до 70 километров (под складчатыми поясами). Мантия Земли подразделяется на верхнюю мантию и нижнюю мантию. Границей между этими геосферами служит слой Голицына, располагающийся на глубине около 670 км. Отличие состава земной коры и мантии — следствие их происхождения: исходно однородная Земля в результате частичного плавления разделилась на легкоплавкую и легкую часть — кору и плотную и тугоплавкую мантию.

Процессы, идущие в мантии, оказывают самое непосредственное влияние на земную кору и поверхность земли, являются причиной движения континентов, вулканизма, землетрясений, горообразования и формирования рудных месторождений. Всё больше свидетельств того, что на саму мантию активно влияет металлическое ядро планеты.

Скорости сейсмических волн в мантии растут с глубиной. Но начиная с глубины 80—100 км под материками и около 50 км под океанами они понижаются на протяжении около 100 км, потом начинают повышаться и на глубине около 400 км приходят опять к тем значениям, которые соответствуют общему ходу кривых на графике скоростей в этой части мантии. Особенно заметно понижение скорости поперечных волн. Эту зону пониженных скоростей сейсмических волн называют слоем Гутенберга. Давление и температура в Земле растут с глубиной. Действия их на вещество противоположны. Приток тепла приводит к увеличению объема и в конце концов к расплавлению вещества, а давление уменьшает объем и мешает расплавлению, так как повышает точку плавления (температурную). Во всех других зонах мантии давление берет верх: вещество там находится в твердом кристаллическом состоянии. Слой же Гутенберга, по-видимому, создан частичной победой тепла. Здесь температура близка к точке плавления материала мантии. Из-за большого давления он не расплавляется, а находится в аморфном состоянии. Есть и другое предположение: в слое Гутенберга расплавились только самые легкоплавкие кристаллы, так что в твердом в общем веществе вкраплены отдельные капли жидкости. Из обоих предположений вытекает, что для слоя Гутенберга характерна пониженная вязкость, а это очень важно для объяснения многих процессов.

Литосфера — внешняя твердая оболочка Земли, которая включает всю земную кору с частью верхней мантии Земли и состоит из осадочных, изверженных и метаморфических пород. Нижняя граница литосферы нечеткая и определяется резким уменьшением вязкости пород, изменением скорости распространение сейсмических волн и увеличением электропроводности пород. Толщина литосферы на континентах и под океанами различается и составляет в среднем соответственно 25— 200 и 5—100км.

Взаимодействие земной коры с верхней мантией – причина глубинных тектонических движений, возбуждаемых вращением планеты, тепловой конвекцией или гравитационной дифференциацией вещества мантии (медленное опускание более тяжелых элементов вглубь и поднятие более легких кверху), зона их появления до глубины около 700 км получила название тектоносферы. Существует несколько классификаций тектонических движений, каждая из которых отражает одну из сторон – направленность (вертикальные, горизонтальные), место проявления (поверхностные, глубинные) и т.п.

Важнейшим отличием тектоносферы от более глубоких оболочек являются горизонтальные неоднородности, связанные с зонами разных эндогенных режимов. Строение тектоносферы оказывается в той или иной мере различным под разными эндогенными зонами.

Мощность литосферы изменяется от 50 км (под океанами) до 100 км (под материками). Строение и мощность земной коры неодинаковы: та её часть, которую можно назвать материковой, имеет три слоя (осадочный, гранитный и базальтовый) и среднюю мощность около 35 км. Под океанами её строение более простое (два слоя: осадочный и базальтовый), средняя мощность – около 8 км. Выделяются также переходные типы земной коры.

Источник