Тема 2.2: Физические свойства Земли.

План:

 

1. Геофизические методы изучения внутреннего строения Земли.

2. Масса и плотность Земли.

3. Глубинное строение Земли; земная кора, верхняя, средняя и нижняя мантия, внешне и внутреннее ядро. Астеносфера и литосфера. Вертикальная и латеральная неоднородность планеты.

4. Представления об агрегатном состоянии масс внутри Земли и предполагаемом химическом составе геосфер. Принцип изостазии.

5. Земной магнетизм. Тепло Земли. Радиоактивность. Дифференциация вещества мантии.

Ключевые слова: плотность,гравиаметрия,давление,изостазия магнетизм.

 

Непосредственному наблюдению доступны лишь самые верхние горизонты земной коры (зеленая кожица у большого арбуза), выходящие на поверхность или вскрытые горными выработками и буровыми скважинами, глубина которых около 12км.

Строение более глубоких недр можно представить на основе анализа геофизической информации, а именно сейсмики, гравиметрии, изменений магнитного, теплового и радиационного полей Земли.

На основе сейсмических данных было составлено представление о внутренних оболочках Земли, которое было рассмотрено на предыдущих занятиях.

Гравиметрия. Изучает распределение гравитационного поля и его элементов на поверхности Земли и в окружающем пространстве. На поверхности Земли ускорение силы тяжести зависит от изменения плотности горных пород.

Плотность и давление. Плотность Земли впервые была определена И. Ньютоном в 1736г в пределах 5-6г/см³. Более точно 5.527г/см³. Эта величина значительно превышает плотность верхних частей Земной коры.

Плотности: «гранитного слоя» - 2.7;

«базальтового слоя» - 2,9;

«базальтового слоя» океанической коры – от 3.0 до 3.1;

Верхней части подкорового слоя (мантии) – 3.3г/см³, с учетом давления на глубине 30-40км.

Изостазия – состояние равновесия масс земной коры и мантии. (Как лед в Северном ледовитом океане во время торошения, или как пенка на молоке). Блоки земной коры разной толщины плавают в более плотном и вязком субстрате, подчиняясь закону Архимеда.

Изостазия - это общий принцип, локальные (местные) изменения гравитационного поля могут быть использованы для поисков полезных ископаемых напр. Эмба – соляные купола, угли в Донбассе, скрытые под мощными наносами.

Гравитационное поле Земли неоднородно, отчетливо выделяются следующие типы:

1. Огромные пространства материков со спокойным рельефом (платформы) – чередование небольших + и – аномалий.
2. Гравитационное поле горно-складчатых областей неоднородно и сложно. Можно выделить два типа: а) молодые (альпийские) горные сооружения – Альпы, Кавказ и т.д, характеризуются расчлененным рельефом поверхости Мохо с колебаниями мощности земной коры от20 до 60км и с преобладанием «базальтового слоя» (в глубоких депрессиях «гранитный слой»иногда совсем отсутствует; б)горные хребты сформированные на палеозойском или более древнем складчатом фундаменте (активизированные горы), - Урал, Алтай, и т. д. Мощность земной коры до 60-70км с преобладанием «гранитного слоя».
3. Особое положение – прибрежная зона Тихого океана (островные дуги – Курилы, Япония, Индонезия и др.). Полосы очень сильных отрицательных аномалий приурочены к глубоководным желобам, островным дугам и внутренним морям соответствуют положительные аномалии. Глубина залегания аномальных масс АН. Люстих) не превышает 50км.
4. В океанах гравитационное поле спокойно и меняется более плавно, чем на материках.

В строгом соответствии с распределением плотностей в недрах Земли находятся давление и ускорение свободного падения.

 

Распределение давления и ускорения свободного падения в земных недрах.

 

Глубина, км	Давление, 10-6кгс/см3	Ускорение свободного падения, см/сек2
	0.009
	0.173
	0.49
2900 (сверху)	1.37
2900 (снизу)	1.36
	3.51

 

Земной магнетизм – это свойство Земли (как космического тела), обуславливающее существование вокруг неё магнитного поля. Доказано магнитное поле для Юпитера, магнитный момент Марса составляет 3^.10^-4 магнитного поля Земли. Венера и Луна магнитных полей не имеют. Солнце и другие звезды имеют магнитные поля.

Магнитное поле Земли сплюснуто со стороны освещенной Солнцем.

По линии Солнце – Земля 10 земных радиусов – магнитопауза; 14 – невозмущенное межпланетное поле.

Магнитопауза – граница между регулярным и хаотичным полем.

Магнитное поле Земли – дипольное.

Склонение – угол отклонения магнитной стрелки от географического меридиана данного места, восточное и западное, величина меняется в разных районах.

Изогоны – линии, соединяющие на картах точки с одинаковым склонением.

Наклонение – угол наклона магнитной стрелки к горизонту.

Изоклины – линии, соединяющие на картах точки с одинаковым наклонением.

Магнитный экватор – наклонение равно 0.

Напряженность магнитного поля увеличивается от магнитного экватора (0.4Э) к магнитным полюсам (0.7Э). Горизонтальная составляющая магнитного поля Земли Н достигает наибольшей величины на магнитном экваторе (0.4Э) и убывает до нуля на магнитных полюсах. Вертикальная составляющая Z меняется от 0.7Э на магнитных полюсах дл нуля на экваторе.

Изодинамы – линии, соединяющие на карте точки с равной напряженностью магнитного поля.

Магнитный полюс Земли располагается вблизи географического полюса, но не совпадает с ним. Ось магнитного диполя, расположенного в центре Земли, не совпадает с осью вращения на 11.5^о.Магнитные полюса постоянно меняют свое положение, соответственно происходят суточные, годовые и вековые изменения склонения и наклонения, причем вековые колебания склонения достигают 30^о.

Магнитные аномалии – отклонения наблюдаемого распределения элементов земного магнетизма от среднего для данной местности. Различают региональные и местные. Наиболее крупная в мире местная М.а. – Курская охватывает Курскую, Белгородскую и др. области. Важный и дешевый метод при поисках и съёмке, особенно на «закрытых» Сплощадях.

Остаточная намагниченность появляется при температуре Кюри (ниже 600-700^оС) в процессе застывания магмы и охлаждения раскаленных горных пород (термоостаточная). При выпадении осадков магнитные частицы ориентируются по направлению силовых линий магнитного поля того времени и сохраняют эту ориентировку после уплотнения осадка.

Палео магнетизм его реконструкция. Подтверждение теории мобилизма.

Происхождение магнитного поля по теории Эльзасера – Френкеля связано с тем, что жидкое ядро во вращающейся Земле действует как самовозбуждающаяся динамомашина. У медленно вращающихся планет – Венера, Луна М.п. нет.

Теплота Земли вызывается солнечной радиацией и зарождается в недрах планеты.

Среди колебаний температуры, вызываемых солнечной радиацией, различают суточные, сезонные, годовые и вековые. Чем больше период колебаний поверхностных температур, тем глубже эти колебания проникают в недра. Так суточные затухают на глубинах до 1.5м, годовые – 25-30м. На этой глубине расположен уровень или пояс постоянных температур, соответствующий среднегодовой температуре данной местности, глубина которого колеблется от нескольких до 30м. напр. Москва 20м и т-ра 4.2^оС, Париж 28м и т-ра 11.83^оС. Расчеты глубины проникновения вековых колебаний температур очень сложны и не могут учесть всех факторов.

Ниже пояса постоянных Т-р важное значение приобретает внутренняя тепловая энергия Земли.

С увеличением глубины постоянно растут температуры, (горные выработки, буровые скважины). Прямые измерения до глубины 12км – Кольская скважина.

Геотермический градиент - нарастание температуры в ^оС на единицу глубины, обычно на 100м.

Геотермическая ступень – интервал глубин в метрах на котором температура повышается на 1^оС.

Повышение т-ры с глубиной указывает на непрерывный поток тепла из недр к поверхности Земли. По имеющимся данным (С.И. Субботин и др., 1968г.) среднее значение теплового потока для всей Земли равно 1.53, для материков – 1.65 и для океанов – 1.48 мккал/(см²хсек), или 10^-2вт/м².

Аномально высокие тепловые потоки приурочены к срединным океаническим хребтам – до 8.0мккал/(см²хсек), или 33.52^.10^-2вт/м² и пониженные – до 1.1 мккал/(см²хсек),или 4.61^.10^-2 вт/м² – к смежным глубоководным впадинам. На докембрийских щитах (Балтийском, Канадском, Африканском, Австралийском) тепловой поток понижен до 0.8-1.0 мккал/(см²хсек), а в молодых горных областях (Альпы, Япония) – повышен до 2.0 мккал/(см²хсек).

Зоны термической проницаемости; способы переноса тепловой энергии прямой теплопередачей, жидкостями и газами; нарастающие и затухающие тепловые потоки.

(Батолиты, вулканические аппараты, рифтовые зоны как зоны растяжения

Хотя излучаемая Землей тепловая энергия в несколько тысяч раз меньше количества солнечной энергии, получаемой Землёй, В. Томсон (Кельвин) подсчитал, что если бы потеря энергии не восполнялась, Земля должна была бы охладиться за 40 млн лет.

Источники внутренней теплоты Земли: радиоактивный распад; химические реакции; энергия кристаллизации энергия тяготения или гравитационная; тепло, выделяемое в процессе приливного трения; остаточное тепло со времен формирования Земли, как планеты, и т.д.

Роль перечисленных источников в тепловом режиме Земли различна и разными авторами оценивается по-разному. Наиболее достоверным из этих источников является энергия распада радиоактивных элементов.

Радиоактивность Земли.

Распределение и концентрация радиоактивных элементов в земной коре и во всей нашей планете имеет совершенно особое значение, так как при распаде этих элементов выделяется теплота, в значительной степени определяющая тепловой режим Земли. О количестве радиоактивных элементов в различных горных породах в настоящее время известно значительно больше, чем о количестве других, более обычных и гораздо шире распространенных элементов, так как выделяемое при распаде излучение позволяет установить присутствие радиоактивных элементов с высокой точностью до 0.0001%.

 

Среднее содержание радиоактивных элементов в главных типах горных пород, вес. %.

 

Радиоактивные элементы	Изверженные породы	Осадочные породы (глины и сланцы)
кислые	средние	основные	Ультра-основные
226Ra	1.2.10-10	6.10-15	2.7.10-11	1.10-11	1.10-10
238U	3.5.10-4	1.8.10-4	5.10-5	3.10-7	3.2.10-4
232Th	1.8.10-3	7.10-4	3.10-4	5.10-7	1.1.10-3
40K	3.34	2.3	0.83	3.10-2	2.28

 

Как видно из таблицы радиоактивные элементы в различных типах пород распределены весьма не равномерно. Происходит уменьшение радиоактивных элементов с глубиной и от кислых пород к ультраосновным.

Непонятно, почему такие тяжелые элементы как уран (плотность 18.7г/см³, что в 2.5 раза больше плотности железа – 7.86г/см³) концентрируются не в ядре Земли, а, практически, на её поверхности.

Контрольные вопросы:

1.Какова плотность Земли

2.Что такое сила тяжести

3.Положительные и отрицательные аномалии

4.Магнитное склонение и наклонение

5.Что такое геометрический градиент и ступень

 

Тема 2.3: Строение Земли (внутренняя оболочка)

 

1. Понятие земной коры.

2. Продольные,поперечные волны.

3. Мантия и ее оболочки

4. Ядро

Ключевые слова: магма, мантия, ядро.

Земная кора. Представления о составе и физическом состоянии земных глубин основывается на комплексных геофизических исследованиях недр Земли. Главным является сейсмический метод (греч. «сейсма» - сотрясение), основанный на изучении путей и скоростей распространения внутри Земли упругих колебаний, возникающих при землетрясениях и вызванных искусственными взрывами.

Продольные волны- частицы материи колеблются в направлении движения волны (вдоль сейсмического луча). При этом создаются участки сжатия и расширения, распространяющиеся во все стороны от очага землетрясения (реакция среды на изменение объема). Прод. волны могут распространятся в твердых, жидких и газообразных средах, идут быстрее других и первыми приходят к наблюдателю.

Поперечные волны (реакция среды на изменение формы) распространяются только в твердых телах. Частицы материи колеблются в плоскости, перпендикулярной направлению сейсмического луча.

При анализе изменения скоростей сейсмических волн (естественных и искусственных), проходящих через земной шар (сейсмическое зондирование), выделяют три главные сферы Земли, отделенных друг от друга поверхностями раздела, где резко меняются скорости волн.

Земная кора – это твердая внешняя оболочка Земли. Её мощность колеблется от 5-20 (12)км в океанах до 30-40км в равнинных областях и до 50-75км в горных регионах.

При М_ср=33км, Р_ср=2.8г/см³ масса коры составит 4.7^.10⁷трлн т, или 0.8% всей массы Земли. До недавнего времени этот слой называли сиалью (кремний и алюминий), в отличие от нижних слоев, которые называли симой (кремний +магний).

 

Мантия Земли распространяется под земной корой до глубины 2900км от поверхности.

Её делят на две части: верхнюю – слои «В» и «С» до глубины 900-1000км;

Нижнюю – слои «D» и «D₁» глубины от 900-1000 до 2900км.

Слой «В» - Гутнберга, а слой «С» - переходный или слой Голицина.

В слое «В» - астеносфера. Под континентами 80-120 до 200-250км, под океанами от 50-60 до 300-400км. Астеносфера является волноводом - Дж Баррелл, 1916г.

Верхняя часть мантии (твердая) вместе с земной корой – литосфера.

К астеносфере приурочено большинство зарегистрированных очагов промежуточных землетрясений. Полагают, что в ней возникают магматические очаги, что это наиболее вероятная зона проявления подкоровых конвекционных течений и зарождения вертикальных и горизонтальных движений земной коры, т.е. важнейших эндогенных процессов, имеющих непосредственное отношение к становлению земной коры, к её деформациям, строению и составу. Поэтом астеносферу вместе с перекрывающей её частью верхней мантии и земной корой объединяют в тектоносферу.

Ниже астеносферы скорость продольных волн резко возрастает, достигая на глубинах 900-2000км 11.3 – 11.4км/с.

В нижней мантии скорости поперечных волн хотя и продолжают расти, но значительно медленнее, чем в слое «С» верхней мантии, достигая на глубинах 2700-2900км 13.6км/с.

На глубине 2900км намечается новый раздел сейсмического характера, который отделяет мантию от ядра. Здесь скорости продольных волн скачкообразно падают с 13.6км/с в основании мантии до 8.1км/с в ядре.

Контрольные вопросы:

1.Из каких оболочек состоит Земной шар

2.Что такое астеносфера

3.Ядро Земли

4.Что такое литосфера

 

Тема 2.4: Строение Земли (внешняя оболочка)

План:

1.Атмосфера.

2.Гидросфера

3.Биосфера

Ключевые слова: атмосфера, биосфера, гидросфера.

Поверхность Земли – поверхность раздела.

Атмосфера. Верхняя граница 700-800км, или даже 900-1000км, а с учетом экзосферы 2000-3000км, в настоящее время содержит 5.3 ^. 10³трлн т воздуха, что составляет одну миллионную часть массы Земли, около 90% массы атмосферы приходится на нижние 10км. Плотность воздуха на уровне моря 1.3 ^. 10^-3г/см³.

Тропосфера. До 10-12км, формируются погода и климат, мощные воздушные течения, циклоны и антициклоны.

Сухой воздух состоит: азот 78.08%, кислород 20.95%, аргон 0.93%, углекислый газ 003%, в малых количествах благородные газы и водород. Пыль природная и антропогенная.

Температура медленно понижается до минус 60-70^оС на высотах 10-12км.

Стратосфера. До 50км. До 40км температура от -40 до -50^оС, затем быстро возрастает до +15^оС. В наст. время обнаружена активная циркуляция воздуха в стратосфере. Важно наличие озонового слоя на высотах от 17 до 30км, который задерживает ультрафиолет.

Мезосфера. Высоты 50-80км.Газовый состав, с преобладанием кислорода и азота, очень устойчив. Температура от нижней границы к верхней понижается от -70 до -90^оС.

У верхней границы образуются серебристые облака, состоящие из мелких кристалликов льда.

Термосфера. (Верхняя граница около 800-1000км). Наиболее разреженный слой с повышенной ионизацией с существенным повышением температуры. Т-ра изменяется от -90^оС на h около 80км до 400^оС при h около 200км.

 

Гидросфера располагается между атм. и твердой земной поверхностью. Прерывистая водная оболочка земли, куда кроме Мирового океана входят все наземные и подземные воды.

В составе Г-сферы 3 осн. типа: океаносфера (моря и океаны); воды суши; ледники.

Промежуточное положение – подземные воды, сосредоточенные в литосфере, но тесно связанные с водами Г-сферы.

По В.И. Вернадскому количество вод оценивается:

Океаны – 1370млн. км³;

На суше – 4млн. км³;

Материковых льдов – 16-20млн. км³

Подземных – 400млн. км³. Всего - 1.8млрд. км³.

Хим. состав гидросферы различен для вод суши и мирового океана. В океанской воде, в среднем 35г солей в 1л. Пресные воды до 1г/л.

Гидросфера играет в геологической истории развития Земли одну из самых важных ролей. В её пределах возникла и развивается жизнь, проходят сложнейшую эволюцию земные организмы. В гидросфере образуются и развиваются своеобразные ландшафты, осадочные горные породы и рельеф Земли. Дать примеры.

Биосфера. Оболочка Земли в которой сосредоточена жизнь, - была выделена в 1875г австрийским геологом Э. Зюссом, однако её особое значение для геологических и геохимических процессов было выявлено значительно позже акад. В.И. Вернадским. Биосфера окружает Землю сплошной оболочкой. Только кратеры действующих вулканов, потоки не застывшей лавы и, может быть, некоторые замкнутые водоемы с особенно высокой концентрацией мин. солей и кислот могут считаться временно безжизненными, но только временно.

Нижняя граница биосферы (по Вернадскому) «должна лежать выше областей, где господствуют горячие пары воды и температура не опускается ниже 100^оС, в среднем на уровне 3-4км от уровня геоида», т.е. положение этой границы определяется предельной температурой, при которой могут существовать простейшие организмы.

По подсчетам Вернадского масса живой органической материи на Земле - 0.001% от массы земной коры. Большая её часть в океане в виде планктона.

Геологическое значение живых организмов огромно. Пропускают через себя и перерабатывают большое количество вещества. За 13 лет организмы пропускают через себя такое количество углерода, которое в 10 раз превышает все его содержание в земной коре. В.И. Вернадский считает весь кислород атмосферы продуктом жизнедеятельности организмов. Скопления каменного угля, торфа, нефти, мела, известняков (органогенных), фосфоритов, многих железных и марганцевых руд и т.п. – результат жизнедеятельности организмов, также как и почвы результат взаимодействия их с горными породами.

20-22 элемента могут концентрироваться в организмах в значительных количествах. Это Pb, Zn, Ni, Pt, Be, U, редкие земли и другие элементы.

 

Контрольные вопросы:

1.На какие слои разделена атмосфера

2.Типы ветров

3.Гидросфера

4.Биосфера

5Хим. состав океанских вод

 

Раздел 3. ЗЕМНАЯ КОРА