Состав и строение Земли.

Величина и форма Земли.

Эти вопросы неразрывно связаны и решались параллельно. Еще в 530 году до н.э. Пифагор пришел к выводу о шарообразности Земли, а со времен Птоломея это представление широко распространилось. В XVII веке, когда появилась гипотеза о первоначально жидком состоянии Земли и был открыт И.Ньютоном (1643-1727) закон всемирного тяготения, изменился взгляд и на форму Земли. Стало очевидно, что вращающаяся планета при этих условиях неминуемо получит сжатие у полюсов и растяжение у экватора под влиянием центробежной силы, то есть ее форма близка к эллипсоиду вращения. Установление формы Земли - до сих пор важная задача высшей геодезии и геофизики.

Форма Земли ближе всего напоминает геоид, понятие о котором ввел немецкий ученый И.Б.Листинг в 1873 г. Геоид - воображаемая выровненная поверхность Земли, всюду перпендикулярная к действительному направлению отвеса, т.е. силы тяжести. Она совпадает с зеркалом воды в океанах, находящихся в состоянии абсолютного покоя (мысленно продолженном и под материками).

Понятие геоида имеет глубокий физический смысл. Если бы действительная форма Земли точно ему соответствовала, то на ее поверхности не могло бы происходить никакого перемещения тел под действием силы тяжести, ибо она всюду была бы абсолютно горизонтальной. Поверхность геоида не совпадает ни с действительной поверхностью каменной оболочки Земли, ни с поверхностью идеального эллипсоида вращения. На континентах поверхность геоида лежит выше эллипсоида вращения, но ниже каменной оболочки, в пределах океанов - наоборот.

По международному соглашению 1924 года приняты следующие постоянные величины Земли:

Рельеф поверхности Земли.

Рельеф - совокупность всех форм поверхности литосферы или неровности всей каменной оболочки - не только в области суши, но и под водами морей и океанов. Современные материки занимают 149 млн. км² (29,2% поверхности Земли). Большая часть материков имеет поверхность с небольшими абсолютными высотами. Наиболее глубокие впадины океанического дна лежат на глубине свыше 11000 м ниже уровня моря (Марианская впадина - 11022 м), наиболее высокие горные вершины превышают 8000 м (Эверест 8848 м).

Гравитационное поле Земли.

Гравитация, или сила тяжести, обусловливает вес тел, направлена всегда перпендикулярно к поверхности геоида и обратно пропорциональна квадрату расстояния от центра притяжения. Наблюдения над изменением силы тяжести на поверхности Земли производятся при помощи так называемых маятниковых и крутильных весов. Выяснено теоретически, что напряженность силы тяжести постепенно и равномерно убывает по направлению от полюсов к экватору. Однако, фактическое распределение силы тяжести на континентах и в областях океанов неодинаково. На любой широте над океанами сила тяжести больше, чем над континентами. Кроме того, на континентах на фоне равномерного убывания силы тяжести от полюсов к экватору наблюдаются участки ее аномального возрастания или убывания. Они называются положительными и отрицательными гравитационными аномалиями и привлекают внимание геологов как районы возможного залегания полезных ископаемых. Положительные аномалии силы тяжести свидетельствуют о залегании на глубине более плотных масс, которыми обычно являются руды металлов. Отрицательные аномалии - менее плотные массы (каменная соль, нефть, газ).

Температура Земли.

У поверхности Земли температурный режим определяется двумя источниками: теплом, получаемым от Солнца и собственным теплом планеты из ее недр. Соотношение этих источников таково: соответственно 99,5% и 0,5%. Приток внутреннего тепла очень неравномерно распределяется на Земле и сосредоточен в основном в местах проявления вулканизма. Однако прогревание солнечными лучами распространяется за год вглубь Земли самое большее на 8-30 см. Ниже этой границы располагается пояс постоянной температуры, соответствующий среднегодовой температуре данной местности. В шахтах и буровых скважинах, углублённых ниже пояса постоянной температуры, наблюдается постепенное увеличение температуры с глубиной. Мерой повышения температуры являются две величины: геотермическая ступень и геотермический градиент.

Геотермическая ступень - то количество метров, на которое нужно погрузиться в данной местности ниже пояса постоянной температуры, чтоюы получить прирост температуры на 1^о. Определяется в метрах.

Геотермический градиент - величина возрастания температуры при погружении на каждые 100 м. Измеряется в градусах.

Величина геотермической ступени изменяется в зависимости от различных причин, в первую очередь от конкретного геологического строения местности и теплопроводности горных пород, слагающих данный район. Среднее значение геотермической ступени для земного шара = 33 м. Но существуют и отклонения в обе стороны. Так, на юге Африки геотермическая ступень = 111 м; в районе теплых источников Пятигорска она = 1,5 м. Это значение геотермической ступени верно лишь для верхней части земной коры, иначе породы мантии были бы полностью расплавлены (100 км - 3000^о, а не 1300-1500, как на самом деле) и не пропускали бы поперечные сейсмические волны. На больших глубинах действуют иные закономерности, рассмотрение которых выходит за рамки настоящего курса.

Магнитное поле Земли.

Земля представляет собою магнит, полюса которого не совпадают с географическими полюсами земного шара, хотя и лежат близко к ним. Положение магнитных полюсов меняется с течением времени в связи с вековым изменением магнитного поля Земли.

Важной характеристикой магнитного поля Земли является его напряжённость. Единицей измерения напряжённости - эрстед - сила, сообщающая в 1 сек. массе в 1 мг ускорение в 1 мм.

Максимальная напряжённость магнитного поля проявляется на полюсах; к магнитному экватору напряжённость падает. Это изображается на карте в виде изодинам - линий одинаковой напряжённости магнитного поля, которые близки в простирании к изоклинам (линиям одинакового наклонения магнитной стрелки), т.е. расположены почти широтно.

Особого внимания геологов заслуживают изменения напряжения магнитного поля на отдельных участках, выраженные в нарушении правильности изображения изолиний. Это так называемые магнитные аномалии. Положительные магнитные аномалии указывают на залежи руд с магнитными свойствами (Курская магнитная аномалия и др.).

Плотность Земли.

Плотность вещества - отношение его массы к объёму (или величина его массы, заключенной в единице объёма). Плотности масс, залегающих на больших глубинах, определяются при помощи сейсмологии. Плотность горных пород изменяется в широких пределах. Есть породы, обладающие плотностью меньше воды, например, нефть (0,70). Следует отметить, что к горным породам относятся все тела, слагающие земную кору, независимо от их состава и агрегатного состояния (в том числе и вода). Есть в числе горных пород вещества и более плотные (Fe - 7,8 г/см³, Pt - 21,4).

В верхних слоях земной коры преобладают породы с плотностью 2,7, очень близкой к плотности гранитов. Средняя плотность Земли установлена на основе закона всемирного тяготения с помощью маятниковых или крутильных весов и равна 5,52 г/см³. Такая большая величина средней плотности Земли, превосходящая более чем в два раза плотность наиболее распространённых в земной коре пород убеждает в том, что в недрах Земли должны быть сосредоточены массы высокой плотности. Плотность ядра определена в среднем 11 г/см³. Совершенно очевидно, что с глубиной плотность вещества Земли должна возрастать, прежде всего в связи с его сжатием под воздействием вышележащих пород. Однако данные об изменении скорости продольных сейсмических волн показывают с углублением скачки в плотности пород. До глубины 8-80 км плотность плавно возрастает от 2,7 г/см³ (плотность наиболее распространённых пород) до 2,9 г/см³ (плотность базальтов). На границе 8-80 км плотность скачкообразно возрастает до 3,4 г/см³. Далее она плавно изменяется до 5,6 г/см³. На глубине 2900 км это изменение прерывается новым скачком до 10 г/см³. В центре Земли плотность достигает 13 г/см³. Изменения плотности вещества Земли с глубиной установлены достаточно твердо и помогают судить о строении внутренних зон Земли, химическом составе и физическом состоянии масс.

Химический состав Земли.

Обобщение данных по химическому составу различных горных пород, слагающих земную кору, с учетом их распространения до глубины 20 км, впервые было сделано американским ученым Ф.Кларком. Полученные им цифры процентного содержания химических элементов в составе земной коры, впоследствии уточнённые А.Е.Ферсманом, получили по предложению последнего название чисел Кларка, или просто кларков (см. таблицу).

Как видно из таблицы, распределение элементов в земной коре крайне неравномерно. первые 8 элементов составляют 97,24% от всего состава земной коры. Из остальных известных на Земле элементов (а их всего 104) только водород, титан, углерод, хлор, фосфор встречаются в количествах, составляющих десятые доли процента в составе Земли.

С глубиной химический состав Земли меняется, о чем свидетельствуют изменения плотности и упругих свойств среды, установленные при изучении скорости прохождения через земной шар сейсмических волн. Не вызывает сомнения, что в связи с увеличением плотности с глубиной в составе вещества Земли возрастает роль тяжёлых элементов (Fe, Mg, Cr, Ni, Co).

Непосредственная оценка химического состава недр Земли нам недоступна. Но решению этой проблемы помогает изучение метеоритов. Если опираться на предположение, что они являются обломками планет, можно провести известные аналогии между составом метеоритов и глубоких недр Земли. Сравнение данных химического состава железных метеоритов со средним химическим составом земной коры показывает, что в недрах Земли резко увеличивается содержание Fe при уменьшении содержания O, Si, Al.