Физические свойства Земли

Недра Земли подразделяются на земную кору, мантию (промежуточную оболочку) и ядро. Они характеризуются различными физическими свойствами.

Гравитационное поле. Все предметы на поверхности Земли испытывают силу её притяжения, или силу тяжести. Пространство, в пределах которого проявляются силы земного притяжения, называется гравитационным (лат. гравитас-тяжесть) полем, или полем силы тяжести.

Исходя из предположения, что Земля является однородным телом, для каждой точки земной поверхности может быть рассчитана теоретическая величина силы тяжести. Но в действительности, массы вещества распределяются в земной коре неравномерно. Сила тяжести тесно связана и с формой Земли. Каждой точке на её поверхности свойственна определённая величина силы тяжести. Она обусловлена характером распределения масс в недрах планеты. В центре Земли сила тяжести равна нулю.

Земное притяжение является причиной свободного падения тел. Падающее тело испытывает нарастающее – по мере приближения к поверхности Земли – ускорение падения. При отсутствии сопротивления воздуха разные тела падают с одним и тем же ускорением, не зависящим от их массы. Этот закон впервые установил итальянский ученый Галилео Галилей (1564-1642). В честь него единица ускорения свободного падения, или ускорение силы тяжести, названа галом. 1 гал равен 1см/с². В практике чаще используется одна тысячная силы гала – милигал. На поверхности Земли ускорение свободного падения возрастает от экватора (978,04 млг) к полюсам (983,24). Среднее значение ускорения силы тяжести равно 979,70 млг. У границы мантии с ядром ускорение силы тяжести, по расчетам, достигает 1037 млг. Затем оно существенно уменьшается до нуля в центре ядра. Обычно фактическое ускорение свободного падения в любой точке на поверхности Земли отличается от теоретического вычисленного значения. Отклонения между этими величинами, связанные с неоднородностями вещества внутри Земли, называются гравитационными аномалиями (греч. а – отрицание, номос – закон).

Изучение гравитационных аномалий позволяет косвенно судить о строении земных недр. Над массивами тяжелых пород ускорение силы тяжести больше, а над участками, сложенными лёгкими породами, меньше некоторого теоретического его значения, рассчитанного для модели однородной Земли.

Плотность. Подсчитано, что масса Земли составляет 5,98·10²⁷ г, а объём – 1,083·10²⁷ см³. Плотность – это масса единичного объёма. Следовательно, средняя плотность вещества Земли равна 5,52 г/см³.

Фактическая плотность горных пород, слагающих верхнюю оболочку – земнуцю кору, не превышает 2,9 г/см³. Например, плотность гранита 2,8 г/см³. Это означает, что плотность вещества глубинных недр должна быть значительно выше. По подсчетам ученых, ниже границы земной коры при переходе в верхнюю мантию плотность горных пород возрастает до 3,3-3,4 г/см³. А на глубине 2900 км (граница мантии и ядра) плотность скачкообразно возрастает до 9,7 –10,0 г/см³. Затем повышается до 11,0-11,5 г/см³. В центре Земли плотность вещества, возможно, превышает 12,5-13,0 г/см³.

Давление. Большая плотность вещества земных недр обусловлена тем, что с глубиной земное земное вещество испытывает воздействие давления вышележащих толщ горных пород. Согласно расчетам, на глубине 40 км давление равно 1·10³ мПа, на глубине 400 км - 14·10³ мПа, на глубине 2900 км - 137·10³ мПа. А в центре Земли оно, возможно, превышает 361·10³ мПа.

Магнитное поле Земли. Земля – сферический магнит, ось которого наклонена к оси вращения Земли на 11,5°. В силу этого магнитные полюса не совпадают с географическими полюсами.

Земной шар окружен магнитным полем. С помощью геофизических ракет и искусственных спутников установлено, что оно простирается над Землей на расстояние более 90 тыс. км. Магнитное поле, окружающее Землю, задерживает выбрасываемые Солнцем мощные потоки заряженных космических частиц (протонов, альфа-частиц идр.), и не пропускаетих к поверхности Земли. Удерживаемые в верхних слоях атмосферы заряженные частицы образуют пояс радиации.

Для каждой точки земной поверхности рассчитывается теоретическое значение магнитного поля, исходя из однородного строения Земли. Но в действительности, магнитное поле в различных местах не одинаково. Обычно оно отличается от теоретически вычисленного для данной местности среднего значения. Такие отклонения называются магнитными аномалиями. Они обусловлены, в частности, подземными залежами магнитных пород и руд. Примером может служить крупнейшая Курская магнитная аномалия (КМА). В её пределах под земной поверхностью скрывается уникальное месторождение железистых кварцитов. Они создают магнитную напряженность, в пять раз превышающую среднюю напряженность магнитного поля Земли.

Тепловое поле. Земля получает огромное количество тепловой энергии от Солнца. Но значительная часть её отражается от земной поверхности в космическое пространство. В тоже время из недр к поверхности поступает внутренняя тепловая энергия Земли. Вулканические извержения, высокие температуры в глубоких шахтах и буровых скважинах указывает на то, что температура земных недр с глубиной возрастает. И из недр к земной поверхности непрерывно восходит поток тепла, формирующий тепловое поле Земли.

Источниками земного тепла, по-видимому, являются распад радиоактивных элементов, энергия гравитационной дифференциации вещества, тектонических движений и химических реакций, протекающих в недрах Земли, а также энергия перехода вещества из одного фазового состояния в другое и т.п.

Косвенным путем установлено, что первичные очаги вулканов располагаются на глубинах около 100 км. Здесь земное вещество находится в расплавленном состоянии. Температура его плавления около 1200º С.

По некоторым расчетам, на глубине около 400 км температура недр составляет 1600º С. На глубине 2900 км (граница мантии и ядра) она, вероятно, превышает 2500º С. А в центре Земли, возможно, достигает 4000-5000º С.

Земля излучает свое тепло в мировое пространство. В связи с этим, несмотря на общий разогрев планеты, земная кора медленно охлаждается. На значительной её части в приповерхностной зоне существует область вечной мерзлоты, или криолитозона (греч. криос – холод). Она характеризуется отрицательной температурой почв и горных пород и наличием подземных льдов. Это следы грандиозных оледенений, неоднократно охватывающих нашу планету за последние 2 млн. лет, но особенно интенсивно в последний миллион лет, когда ледяные покровы в Европе продвигались южнее Киева и Воронежа, а в Северной Америке занимали большую её часть. Всего лишь 10 тыс. Лет назад Скандинавия и Карелия целиком были покрыты ледяным панцирем.

В зоне мерзлых пород находится более 60% территории России. На севере они лежат сплошным пластом, южнее – в виде островов. По времени существования выделяют области многолетнего и сезонного промерзания пород. Летом слой почвы оттаивает не более чем на 2 м, а глубже вниз – залегают ледяной грунт, промерзшие породы. Нижней границей криолитозоны является поверхность с температурой 0º С. Глубина её залегания – от нескольких метров в умеренных широтах до нескольких километров – в высоких. В северных районах Сибири и Канады криолитозона уходит на глубину до 700 м. На 1500 м ушла вглубь земной коры зона отрицательных температур в 450 км севернее алмазной столицы Мирный. Зато на той же широте у Верхоянска толща мерзлоты всего 250 м, а в одном месте даже 70м.

Упругость – это свойство вещества сопротивляться растяжению и сжатию. Чем плотнее вещество, тем сильнее оно сопротивляется изменению объема и формы под воздействием внешнего давления.

Упругие свойства горных пород используются с целью изучения земных недр с помощью сейсмического метода. Суть метода заключается в следующем. Под воздействием естественных или искусственных сотрясений почвы частицы земного вещества испытывают упругие колебания. Они последовательно принимают (сжимаясь) и передают (разжимаясь) друг другу эти колебания. Таким образом возникают упругие (сейсмические) волны. Они распространяются в разные стороны из очага землетрясения или пункта искусственного сотрясения почв.

Сейсмические волны подразделяются на объёмные и поверхностные. Объёмные волны получили свое название потому, что пронизывают весь объём Земли. Поверхностные волны распространяются вдоль земной поверхности.

Различают продольные и поперечные объемные волны. В продольных волнах упругие колебания частиц горных пород происходят в направлении распространения сейсмической волны. Они возникают во всех средах – твердой, жидкой и газообразной, как следствие их реакции на внезапное изменение объёма.

В поперечных волнах частицы вещества смещаются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения сейсмической волны. Поперечные колебания частиц возникают только в твердых телах в результате изменения формы среды. Жидкости и газы не обладают необходимой для движения поперечных волн упругостью и изменению формы не сопротивляются. Поэтому в газах и жидкостях поперечные волны не распространяются.

Сейсмические волны распространяются в недрах с различной скоростью. Продольные волны «бегут» в 1,7 раза быстрее поперечных волн. Вследствие этого продольные волны всегда приходят к поверхности Земли первыми. Отсюда их другое название первичные, или волны Р (лат. прима-первая ). Поперечные волны именуются вторичными, или волнами S (лат. секунда-вторая), так как они приходят вторыми.

Если бы Земля состояла до самого ядра из однородного вещества, то скорость распространения сейсмических колебаний в недрах с глубиной не изменялась бы. В действительности, сейсмические волны, распространяясь вглубь Земли из очага землетрясения или пункта искусственного сотрясения почв, встречают на различной глубине неоднородные по плотности и составу среды. Часть волн отражается от их границ, как от экрана, и возвращается на поверхность земли(см. рис. 15).

Рис. 15. Пути основных сейсмических волн в теле Земли: Р – продольные волны; РР – продольные волны, отраженные от земной поверхности; РсР – продольные волны, отраженные от ядра; РКР – продольные волны, прошедшие ядро (нем. Керн – ядро); S – поперечные волны; SS – поперечные волны, отраженные от земной поверхности; О – очаг землятресения.

Такие волны называются отраженными. Другие волны преломляются на границе раздела сред с различной плотностью и проходят далее вглубь Земли. «Преломление» волны могут затем, в свою очередь, отразиться от более глубоких плотностных границ.

Возвратившиеся к земной поверхности отраженные и преломленные волны улавливаются здесь специальными приборами - сейсмографами. Они непрерывно ведут запись упругих колебаний земных недр, вызванных землетрясением или взрывом. Графическая запись их называется сейсмограммой (греч. сейсмос – трясение, грамма – запись). С помощью сейсмограмм определяются глубина залегания очага землетрясения и границы отражения и преломления в недрах сейсмических волн.