Полная версия

Главная arrow Экология arrow Науки о Земле

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЗЕМЛИ

Образование планеты Земля

Если Солнце появилось около 5 млрд лет тому назад, то Земля, как планета, сформировалась вскоре после этого события всего за несколько сотен миллионов лет, а может быть, и быстрее.

Солнце возникло за счет сжатия вещества межзвездного облака, и, когда температура достигла определенных высоких значений, началась термоядерная реакция - слияние ядер водорода с образованием ядер гелия и выделением огромной энергии. «Ядерного горючего», т. е. водорода, должно хватить еще на 5 млрд лет, хотя новейшие исследования снижают эту цифру. Солнце продуцирует энергию для многих процессов, идущих на Земле. Эта энергия поддерживает существование радиационных поясов и полярных сияний Земли, влияет на изменение магнитного поля.

Форма и размеры Земли

На рубеже XVII и XVIII вв. И. Ньютон теоретически обосновал положение о том, что под воздействием силы тяжести Земля должна иметь сжатие в направлении к центру вдоль оси вращения и принять форму эллипсоида или сфероида. Разница между экваториальным и полярным радиусами Земли составляет немногим более 21 км. Это свидетельствует о сплюснутости ее по оси вращения.

В действительности поверхность Земли представляет собой трехосный эллипсоид. Наибольший и наименьший радиусы экватора для водной поверхности отличаются по длине на 213 м. Такую поверхность назвали геоидом (геоид - дословно «землеподобный»).

Геоид - для океанов реальная, а для континентов воображаемая уровенная поверхность гравитационного потенциала, совпадающая с поверхностью воды океанов. Расхождение между геоидом и эллипсоидом (сфероидом) местами достигает ±100-150 м.

Форма и размеры Земли были вычислены геодезистом А. А. Изотовым в 1940 г. Выведенная им фигура была названа эллипсоидом Красовского в честь геодезиста Ф. Н. Красовского.

Основные параметры эллипсоида Красовского: экваториальный радиус - 6378,245 км; полярный радиус - 6356,863 км; полярное сжатие а - 1/298,25. Площадь поверхности Земли составляет около 510 млн км2, ее объем- 1,08332*10'“ км3, масса- 5,976* 1024 кг.

Дополнительные сведения для сфероида Красовского

и другие данные

  • • Средний радиус - 6371,22 км.
  • • Длина окружности экватора - 40 075,696 км.
  • • Поверхность суши - 149 000 000 км“ (29 % поверхности Земли).
  • • Водная поверхность - 361 000 000 км (71 % поверхности Земли).
  • • Критическая скорость отрыва тел от притяжения Земли - 11,19 км/с (100 000 км/ч).
  • • Средняя плотность Земли - 5,517±0,004 кг/м'.
  • • Средняя плотность земной коры - 2,65 кг/м3.
  • • Скорость движения по своей орбите - 107 200 км/ч.
  • • Угол наклона оси вращения Земли - 23,5°.
  • • Масса Земли - 6-101" Гт.

Земля - одна из восьми планет (ранее планетоид Плутон диаметром 1100 км, имеющий одну луну, считали девятой планетой) Солнечной системы и единственная, на которой существует жизнь. Полагают, что до так называемого «Большого Взрыва» - начала расширения Вселенной - ее вещество находилось в состоянии бесконечно большой плотности и температуры, так называемой сингулярности, при которой привычные понятия пространства и времени теряют смысл.

Возраст Земли, согласно последним данным, оценивается в 4,6 млрд лет, а возраст древнейших минералов цирконов, определенный радиологическими методами, составляет 4,0-4,3 млрд лет. Аккреция Земли происходила в течение 0,5 млрд лет, и в этом процессе выделяют ряд стадий. Во время наиболее ранней, длившейся всего 100 млн лет, радиус планеты увеличивался очень быстро и достиг к рубежу в 4,5 млрд лет 95 % современного. Во время двух следующих стадий рост Земли замедлился. В интервале 4,2-3,9 млрд лет назад планета подвергалась усиленной бомбардировке падающими на нее планете-зималями и крупными метеоритами. При этом выделялось огромное количество тепла, нагревающего молодую планету. Этого тепла было достаточно, чтобы расплавить ее поверхностный слой, имевший в среднем андезитовый состав.

4,2 млрд лет назад, или несколько раньше, у Земли уже был ее спутник Луна, о происхождении которой существуют разные гипотезы, но вероятнее всего, что она возникла одновременно с Землей и независимо от нее из вещества протопланетного диска. Луна оказывает на планету сильное приливное воздействие.

Изучение глубинного строения Земли. Лишь поверхностные участки нашей планеты доступны непосредственному наблюдению, и самая глубокая скважина на Земле, пробуренная на Кольском полуострове недалеко от Мурманска, проникла в земные недра всего на 12 261 м. Однако известно строение Земли, установленное косвенными сейсмическими методами. Суть их довольно проста. При любом землетрясении, промышленном взрыве, испытании ядерных зарядов возникают сейсмические волны, т. е. объемные волны деформации. Продольные, когда сжатие-растяжение направлено вдоль распространения волны, и поперечные, в которых перемещение частиц происходит поперек направления движения волны (рис. 3). Эти волны деформации распространяются в недрах Земли во все стороны. Скорости сейсмических волн различны в разных породах. Улавливая эти волны специальными приборами, сейсмографами, и зная изменение их скоростей, можно как бы просвечивать весь земной шар и получать картину его внутреннего строения.

Строение Земли. Используя значения сейсмических волн, появилась возможность определить распределение плотности в недрах Земли и построить сравнительно приближенные к истине модели Земли. Одной их первых реальных моделей является сейсмическая модель Джеффриса-Гутенберга, построенная в 30-х годах XX века (рис. 4).

сжатие

гмтт»»штл

Шттшттш

iSiiiiii

iMiiaiBi

разрежение

невозмущенная среда

???I

a

волны

/

6

Типы сейсмических волн

Рис. 3. Типы сейсмических волн:

1 - объемные волны: а - продольные; б - поперечные; 2 - поверхностные волны: в - Лява; г - Рэлея. Стрелками показано направление движения волны (Короновский Н. В., 2001).

В начале 40-х годов XX века австралийский сейсмолог К. Е. Буллей (Keith Edward Bullen, 1906-1976 гг.), стажировавшийся у Гарольда Джеффриса в Кембридже, предложил более точную сейсмическую модель строения Земли, которая стала называться его именем - моделью Буллена (рис. 5). Согласно этой модели Земля разделена на оболочки, которые обозначены буквами Л, В, С, D, Е, F, G. На границах

сферических оболочек Земли наблюдается резкая, скачкообразная смена скоростей сейсмических волн. Породы этих оболочек обладают разными физическими свойствами и химическим составом. С глубиной в них возрастают плотность, давление, температура и уменьшается ускорение силы тяжести.

Зависимость скорости продольных (р) и поперечных (5) сейсмических волн от глубины Земли

Рис. 4. Зависимость скорости продольных ) и поперечных (5) сейсмических волн от глубины Земли.

Строение Земли

Рис. 5. Строение Земли.

А

А - земная кора - до 33 км В - верхняя мантия - до 400 км С - переходный слой - до 1000 км В - нижняя мантия - до 2900 км Е - внешнее ядро - до 4980 км F - переходная обл. - до 5120 км (7 - внутреннее ядро - до 6371 км

Границы между геосферами А и^Ди^ГиС- резкие; между В и С, С и Д ? и С - условные, так как переход постепенный.

Таким образом, на основании сейсмических данных выделяют не менее 7 оболочек Земли (рис. 5), но в генерализованном виде ученые выделяют три главные области Земли, отделенные друг от друга четко выраженными поверхностями раздела, на которых скорости сейсмических волн резко изменяются (рис. 4, 5).

1. Земная кора - твердая верхняя оболочка Земли. Ее мощность изменяется от 5-10 км под водами океанов, до 30-40 км в равнинных областях и до 50-75 км в горных районах (максимум под Андами, Гималаями и Восточным Памиром). Верхняя часть земной коры, состоящая главным образом из осадочных горных пород, образует осадочную оболочку Земли, или стратисферу. Нижняя часть земной коры представлена различными метаморфическими породами среднего и основного состава, образовавшимися в результате метаморфизма вулканических пород.

Ссылаясь на наличие сульфидных руд в земной коре, геологи допускали существование в мантии сульфидной оболочки. Однако определение изотопного состава свинца из разных сульфидных руд показало их различный абсолютный возраст; следовательно, отторжение сульфидов из горных пород происходило в разное время, так что гипотеза сульфидной оболочки лишена достаточного основания. Процесс образования металлического сплава Ге-№, из которого состоит ядро Земли, наименее изучен. Вероятно, ядро формировалось в процессах агломерации в протопланетном облаке и далее при адиабатическом сжатии Земли.

2. Мантия Земли распространяется ниже земной коры до глубины 2900 км от поверхности. Она подразделяется на три части: верхнюю мантию до глубины 670 км, переходный слой - до 900-1000 км и нижнюю мантию от 1000 до 2900 км. Вещество мантии и ядра представляет собой дифференцированные продукты от исходной космической пыли.

Вещество мантии Земли (перидотиты, дуниты и другие ультраос-новные породы) имеет химический состав, приближающийся к метеоритному.

Господствующие в мантии высокие температуры и давления приводят к полиморфным изменениям минералов, например к образованию стишовита, т. е. кварца с плотностью 4350 кг/м' (при нормальном давлении и температуре), и т. п. Благодаря этому вещество мантии разделяется на зоны с разной плотностью. Вещество верхней мантии проникает к поверхности на материках в дунитовых поясах, богатых хромитами, платиноидами, высокотемпературными сульфидами, в океанах - в рифтовых долинах срединно-океанических хребтов.

3. Ядро Земли. В нем выделяют внешнее «жидкое» ядро до глубин около 4980 км, переходный слой в интервале глубин 4980-5120 км и твердое внутреннее ядро ниже 5120 км. Центр ядра в среднем (из-за различающихся радиусов Земли) находится на глубине 6371 км.

Скорость распространения продольных сейсмических волн в нижней части земной коры в среднем от 6,5-7,0 до 7,4 км/с, а поперечных волн - около 3,7-3,8 (4,1) км/с (см. рис. 4). Земная кора отделяется от мантии в большинстве случаев достаточно резкой сейсмической границей, ниже которой скорость продольных волн возрастает до 7,9-8, иногда 8,2-8,3 км/с, а поперечных - до 4,5-4,7 км/с.

Вещество Земли, за исключением ее внешнего ядра, находится в твердом агрегатном состоянии. Внешнее же ядро, через которое не проходят поперечные сейсмические волны, находится, скорее всего, в жидком состоянии, и его взаимодействие с твердым внутренним ядром порождает магнитное поле Земли.

В верхней мантии на глубинах от 10-15 до 400 км существует неравномерно развитый слой, характеризующийся некоторым уменьшением скоростей сейсмических волн, называемый астеносферой (т. е. «ослабленным» слоем). Возможно, он обусловлен плавлением вещества мантии в объеме от 1 до 2-3 %. Именно астеносферный слой пониженной вязкости играет важную роль в перемещении по ним литосферных плит - более прочной части верхней мантии и земной коры.

Как возникли оболочки Земли? Однозначного ответа на этот вопрос нет, но существуют две гипотезы, не считая других, менее вероятных.

Согласно первой из них, называемой гипотезой гетерогенной аккреции Земли, сначала происходило слипание (аккреция) тугоплавких частиц планетезималей, содержащих железо и никель, из которых и сформировалось очень плотное и тяжелое ядро. Вокруг него позже «налипли» более легкоплавкие силикатные частицы, образовав мантию Земли, т. е. изначально Земля уже обладала дифференцированным внутренним строением.

По второй гипотезе - гомогенной аккреции - происходило формирование из планетезималей однородной Земли, которая только при дальнейшей своей эволюции расслоилась на ряд оболочек, включая мантию, внутреннее и внешнее ядро.

В настоящее время предпочтение отдается первой гипотезе, так как установлена первичность конденсации железо-никелевого сплава, известного в железных и каменных метеоритах. Большое содержание сидерофильных элементов в мантии Земли (никеля, железа, молибдена и др.) свидетельствует о невозможности выплавления из нее железо-никелевого ядра. Новейшие геофизические данные как будто бы свидетельствуют о продолжающемся росте внутреннего ядра Земли. Иными словами, процесс дифференциации вещества Земли еще не закончился.

Для геологов важно знать, была ли Земля первоначально холодной или горячей? Полностью скрытый от нас период развития Земли продолжительностью примерно 0,4-0,5 млрд лет не позволяет однозначно ответить и на этот вопрос. Факторы первичного разогрева Земли известны. Это и мощные удары метеоритов, и соударения планетезималей в момент аккреции планеты, и распад радиоактивных элементов, и действие приливных сил со стороны

Луны, раньше располагавшейся ближе к Земле, и процессы дифференциации вещества внутри самой Земли, т. е. образование ее оболочек. Все эти процессы способны генерировать тепло.

Геологи сейчас склоняются к представлению о том, что к интервалу времени 4,2-3,9 млрд лет верхняя оболочка Земли была в состоянии, близком к расплавленному, что заставляет предполагать формирование уже в это время первичной земной коры в виде тонкой оболочки, покрывавшей всю планету и обладавшей, по-видимому, базальтовым составом, близким к составу базальтов Луны, образовавшихся в этом же временном интервале.

Таким образом, наиболее древняя стадия развития Земли, насчитывающая около 0,5-0,4 млрд лет, практически неизвестна. Все попытки ее реконструкции не выходят за рамки предположений.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>