Как изучают недра Земли
С давних пор геологи изучают обнажения, т. е. места, где видны коренные горные породы – камень, глина, песок и т. д. (например, обрывы). Где обнажений мало или их нет вовсе, роют шурфы (ямы) и канавы. В некоторых местах пробуривают скважины глубиной в сотни метров и более и вынимают куски породы, которую бурят. Так составляется сплошная колонка пройденных скважиной горных пород.
Горные породы обычно залегают слоями, горизонтально или наклонно. Слои могут быть прямыми или изогнутыми. Изучив их расположение на некоторой территории, геолог мысленно определяет, как слои проходят под землей. Такой метод позволяет исследовать только верхнюю часть земной коры, самое большее до глубины в несколько километров, и притом лишь на суше.
Гораздо глубже проникнуть внутрь Земли помогает геофизика – наука, изучающая физические свойства и физическое состояние земного шара. Геофизика делится на физику атмосферы, физику моря и физику твердой Земли. Последнюю чаще называют просто физикой Земли, потому что слово «твердой» не совсем точно: сюда входит и физика земного ядра, внешняя часть которого жидкая. Физика Земли, в свою очередь, делится насейсмологию, гравиметрию, магнитометрию, электрометрию и геотермики.
Для познания глубоких недр Земли в наше время больше всего даетсейсмология – наука о землетрясениях. Землетрясение происходит оттого, что в каком-то небольшом пространстве внутри Земли – очаге землетрясения – возникает разрыв: одна часть горных пород внезапно соскальзывает, сдвигается относительно другой. При этом из очага расходятся упругие сейсмические волны двух видов: продольные, похожиена звуковые волны,— частицы вещества колеблются вперед-назад вдоль направления хода волны, поперечные, когда колебания происходят поперек хода волны. Продольные волны идут почти вдвое быстрее поперечных. Дойдя до поверхности Земли, эти сейсмические волны порождают на ней поверхностные волны, которые и производят разрушения при землетрясениях (см. ст. «Землетрясения»).
Вдали от эпицентра, т. е. места наибольшего сотрясения на поверхности Земли, землетрясение людьми не ощущается, но чувствительные приборы – сейсмографы, записывают на бумажной ленте колебания почвы. Сильные землетрясения записываются даже на другой стороне земного шара. По этим записям – сейсмограммам – удается установить путь упругой волны в толще Земли и ее скорость в каждой точке пути.
Дело это не простое. Скорость волны зависит от состава горной породы, от температуры и давления, под которым эта порода находится. Так же как волны света и звука, сейсмические волны могут отражаться и преломляться. Их пути в Земле обычно бывают искривлены. Между тем из сейсмограммы можно узнать лишь время прихода волны, ее период и амплитуду. Вдобавок сейсмограф, естественно, в одной записи регистрирует все волны: продольные, поперечные и поверхностные, преломленные и отраженные, причем они нередко накладываются друг на друга. Вычислить путь и скорость каждой волны нелегко. Поэтому сейсмология – очень интересная, но сложная наука.
Для небольших глубин (до нескольких десятков километров) используют методы сейсмической разведки и глубинного сейсмического зондирования. Землетрясение заменяют взрывом небольшого заряда, закопанного в землю или опущенного в воду. Преимущество такого способа в том, что время и место взрыва известны исследователю, а время толчка в очаге землетрясения и положение очага (в особенности глубину) вычисляют по сейсмограммам.
Гравиметрия изучает ускорение силы тяжести (обычно для краткости говорят просто «сила тяжести») в различных местах на Земле. Известно, что сила тяжести меньше всего на экваторе и постепенно возрастает к полюсам. Но на это правильное распределение накладываются очень небольшие местные отклонения – аномалии силы тяжести (гравитационные аномалии). Они происходят от неодинаковой плотности горных пород: над скоплениями тяжелых пород сила тяжести больше, над скоплениями легких пород – меньше. Чтобы обнаружить аномалию, силу тяжести надо измерить с точностью до одной миллионной доли измеряемой величины. В этом главная трудность.
Силу тяжести чаще всего измеряют с помощью гравиметров. Это, по существу, необыкновенно чувствительные и точные пружинные весы с постоянным грузом. Иногда ее определяют по периоду качания специально устроенного маятника, а в последнее время расположение главных аномалий на земном шаре устанавливают, наблюдая движение искусственных спутников Земли. Зная места аномалий, можно узнать, в каких районах находятся более легкие и более тяжелые массы в Земле. Но определить глубину залегания этих масс часто бывает весьма трудно.
Гравиметрические измерения и астрономические наблюдения, включая наблюдения искусственных спутников, позволяют также вычислить общую массу Земли, момент ее инерции и форму. Момент инерции – это физическая величина, которая для вращающегося тела имеет тот же смысл, что инерция для тела, движущегося прямолинейно. Чем больше инерция тела, тем труднее изменить скорость его прямолинейного движения. Точно так же, чем больше момент инерции, тем труднее изменить скорость вращения. Момент инерции Земли зависит от распределения плотности в Земле: чем меньше плотность ее наружной части и больше плотность центральной, тем меньше момент инерции (при заданной массе Земли).
Формой Земли называют форму поверхности морей и океанов, мысленно продолженную под материки. Именно от этой воображаемой поверхности отсчитывают высоту какой-нибудь точки на материке, когда говорят «высота над уровнем моря». Как уже говорилось выше (см. ст. «Как измерили Землю»), форма этой поверхности очень мало отличается от слегка сжатого, как бы сплющенного эллипсоида (эллипсоид получается при вращении эллипса вокруг его оси). Сплющенность земного эллипсоида невелика : его полярная ось, или ось вращения, короче экваториальной оси, т. е. диаметра экватора.
Магнитометрия изучает магнитное поле Земли (см. ст. «Земля – магнит»). Магнитные аномалии (нарушения) указывают на залежи пород, способных намагничиваться. Сильно намагничиваются некоторые железные руды, слабее – лавы вулканов и другие породы.
Электрометрия изучает электрические токи в Земле. Для разведки полезных ископаемых на исследуемой площади создают искусственно ток и, измеряя силу его в разных точках, определяют расположение пород с различной электропроводностью.
Для изучения более глубоких недр Земли используетсямагнитотеллурическое зондирование. Оно состоит в том, что наблюдают одновременно вариации (изменения) магнитного поля, порождаемые космическими причинами, и теллурические (земные) токи, возникающие в Земле как следствие этих вариаций благодаря индукции. Этот метод позволяет определить электропроводность вещества Земли на различных глубинах, вплоть до нескольких сотен километров. Электропроводность зависит от температуры, поэтому таким образом мы получаем некоторые сведения о температуре земных недр.
Вообще же изучением температуры и тепловых процессов в Земле занимается геотермика. Температуру измеряют специальными термометрами в буровых скважинах. Некоторое представление о состоянии земных недр получают, измеряя температуру горячих источников и вулканических лав. Установлено, что из недр Земли наружу все время идет поток тепла. Измерение этого потока в разных местах на Земле – важнейшая задача геотермики.
Источник
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.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Источник
Способы изучения земных недр
Тульский государственный педагогический университет им Л.Н. Толстого
Кафедра экологии
Голынская Ф.А.
tgpu@tula.net
 |  |  |
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
