1.1. Строение Земли и земной коры.

Форма – геоид. Трехосный эллипсоид вращения с полярным сжатием.

R_э=6378,16 км, R_п=6356,78 км; М=6*10²⁴ кг; g=9,8 м/с².

Магнитное поле Земли – ассиметрично под действием солнечного ветра. Форма его меняется, образуя сферу – защита от жесткого излучения. В течение последних 5 млн. лет произошло ≈ 30 инверсий полюсов. Современная намагниченность пород параллельна современному магнитному полю. При инверсии противоположные направления.

Внешние оболочки – атмосфера, гидросфера, биосфера.

Внутренние оболочки – ядро, мантия, земная кора.

Атмосфера состоит:

– тропосфера (8–10 км – полюс, 16–18 км – экватор); Тº от положительных до ( – 50º С); образуются облака и тепловые движения воздуха.

Стратосфера (до 55 км), Тº – положительные, у верхней границы – озоновый слой.

Мезосфера (до 80 км), Тº – отрицательные (– 50º).

Термосфера (800-1000 км) и экзосфера (сфера рассеивания).

Состав атмосферы – N – 75 %, O₂ – 23 %, Ar – 1,25 %.

Гидросфера – по площади занимает 71 % поверхности Земли, ее состав: мировой океан, подземные воды, реки, моря, ледники и т.д.; 98 % – соленые воды, 2 % – пресные.

Биосфера – область распространения живых организмов – земная кора, атмосфера, гидросфера.

Внутренние оболочки.

Ядро состоит из внутреннего (Fe-Ni, R=1216км) твердого (вращается) и внешнего (Fe) жидкого, его радиус ~3400 км, tº – 4000-6000º С, плотность – до 14 т/м³ в центре, 9,5–12,3 т/м³ во внешнем ядре.

Мантия занимает основной объем Земли (мощность до 2900 км). Делится на верхнюю (900 км) и нижнюю (~2000 км). Мантия состоит из тяжелых минералов, богатых Fe и Mg. Они образуют соединения с SiO₂, силикаты (дуниты – породы ультраосновного состава). Плотность их 3,3–5,0 т/м³, tº =600–700º С до 1500–1800º С. Мантийное вещество находится в твердом состоянии, но в геологическом времени может обладать пластичностью, способностью к течению. В середине прошлого века были высказаны предположения о конвективных движениях в мантии. Тепло передается от более нагретых частей к менее нагретым частям, т.е. внутри Земли происходит передача тепла от горячего ядра к приповерхностной зоне.

Передача тепла – движущая сила геологических процессов. Первый способ – теплопроводность (свеча нагревает стальной стержень, усиливается колебания молекул); второй способ – конвекция. Пример передачи тепла: емкость с водой на огне (1 – нагревание дна кастрюли, 2 – более нагретые слои воды поднимаются вверх, более холодные опускаются вниз). Также происходит конвекция в мантии. Литосферные плиты перемещаются под действием конвективных движений в мантии.

Важным слоем в мантии является слой астеносферы, который подстилает литосферу – жесткую внешнюю оболочку Земли (литосферная мантия плюс земная кора). Физически это переходная зона от охлажденных кристаллических пород к частично расплавленному веществу, находящемуся в пластичном состоянии.

Земная кора – внешняя оболочка земли, ее мощность от 5 км под океанами и до 70 км – под континентами. Нижняя граница (по сейсмическим данным здесь наблюдается скачкообразное увеличение скорости распространения упругих волн) называется слой Мохоровичича или Мохо. Существует два типа земной коры океаническая и континентальная (рис.1).

Океаническая кора.

1. Осадочный слой: от 0,5 км (срединная часть океана) до 15 км (материковый склон);

2. 1,5-2,0 км – подушечные лавы базальтов, подстилаемые долеритовыми дайками;

3. Мощность до 5 км – габбро, серпентиниты (основной состав). Плотность средняя 2,9 г/см³. Состав океанической коры – const. Образуется за счет выделения базальтовых расплавов из астеносферного слоя на дно океана в зонах срединно-океанического хребта.

Континентальная кора – отличается по мощности, от 20 км (островные дуги) – до 70 км (складчатые пояса). Состоит из трех слоев: 1) осадочный (от 0-15 км); 2) гранитный – (породы гранитного состава); 3) базальтовый слой. Наличие повышенного содержания радиоактивных элементов.

Химический состав Земной коры – Al–Si (легкоплавкие соединения). Из химических элементов – О – 46,6 %, Si – 27 %, Al – 8,7 %, Fe, Ca, Na, K, Mg, другие 90 элементов – 1,2 %.

Рис. 1 Литосфера и астеносфера, два типа земной коры.

Астеносфера – пластичная оболочка мантии, зона, где отсутствует жесткость (механические свойства отличаются от литосферы), преобладают высокие температуры и появляются первые проценты расплава, в геологическом времени обладает свойствами очень вязкой жидкости (рис.1).

Литосфера – жесткая внешняя оболочка земли, которая включает в себя земную кору и литосферную часть мантии (обладающими одинаковыми физическими свойствами), подстилается астеносферой.

Литосфера состоит из нескольких лиосферных плит (рис. 2), которые движутся друг относительно друга по астеносфере за счет конвективных течений в мантии. Это перемещение называется тектоникой плит. Тектоника плит отвечает за непрерывное изменение земной коры – породы непрерывно разрушаются и формируются в результате тектонической активности.

Рис. 2 Литосферные плиты

Тектоника плит.

В 1915 г Альфред Вегенер (немецкий метеоролог) опубликовал теорию дрейфа континентов. Высказал гипотезу, что все ныне существующие материки были единым континентом Пангеей, состоящей их 2 частей: Лавразии (Европа, Азия без Индии, С.Америка) и Гондваны (Ю.Америка, Африка, Индостан, Австралия, Антарктида), разделенных океаном. 1) Очертания берегов Африки и Ю.Америки совпадают как мозаика. 2) Палеонтологические находки (окаменевшие остатки рептилии Т, растений и семян). 3) Оледенение, которое испытали 300 млн. лет назад Гондвана. Не было объяснения, почему движутся.

В 1928 г Артур Холмс и др. предположили наличие конвективных течений.

После войны открыт СОХ (составлена карта океанического дна) – точная линия совмещения континентов. Бурение океанического дна дало возможность изучить образцы базальтов океанической коры и определить возраст осадков. 140 млн. лет назад – литосферные плиты стали удаляться, образовавшиеся базальтовые расплавы в мантии изливались, образуя новую океаническую кору. Возраст пород увеличивается по мере удаления от СОХ.

В 60-е годы – открытие аномалий магнитного поля, от линии СОХ идет в обе стороны чередование положительных и отрицательных аномалий магнитного поля. СОХ – срединно-океанический хребет, цепи подводных гор высотой – 4000 м.

Наличие огненного кольца вулканов окружающее Тихий океан и эпицентры землетрясений – сосредоточены на границах литосферных плит.

Существует 3 типа границ между плитами:

– плиты удаляются друг от друга (обстановка спрединга);

– плиты движутся навстречу друг другу (обстановка коллизии);

– плиты перемещаются друг относительно друга в горизонтальной плоскости.

Рис. 3 Активные континентальные окраины (конвергентные плиты)

Плиты Наска и Ю.Америка – конвергентные (сближающиеся плиты) К – О. Океаническая погружается в мантию в зоне субдукции, т.к. плотность океанической коры больше чем континентальной, ρ_о >ρ_к (рис. 3).

Рис. 4 Коллизия континентов

При коллизии плотности двух континентальных плит равны, поэтому погружения нет. Индия надвигается на Евразию – Тибет, Гималаи поднимаются до сих пор 1 см в год (рис. 4).

Рис. 5 Дивергентные плиты

Дивергентные – удаляющиеся плиты – СОХ, С.Американская и Евразийская, размер Исландии увеличивается 2см в год (рис.5).

Трансформные разломы – крупные сдвиги, которые пересекают всю литосферу. Разлом Сан – Андреас в Калифорнии является границей между Тихоокеанской и Северо-Американской плитами. Тихоокеанская движется к северо-западу относительно С.Американской со скоростью 5–6 см/год.

Вулканизм горячих точек – Гавайи. Остров Кауай за 5 млн. лет переместился на 600 км, т.е. Тихоокеанская плита перемещается относительно горячей точки со скоростью 11–12 см/год.

Горообразование (орогенез) – Анды, Северо-Американские Кордильеры, Каледониды, Альпы, Урал, Гималаи – складчатые пояса (формируются по границам литосферных плит). Также существуют континентальные щиты и стабильные платформы. Вулканические пояса (Анды) образуются над зонами субдукции. Самые высокие горные пояса возникают при столкновении континентальных плит (Гималаи). Сразу после формирования складчатые пояса начинают разрушаться: 1) эрозия, 2) орогенный коллапс (разрушение за счет гравитационных сил).

Методы изучения.

Для изучения глубинных слоев земли применяют геофизические методы.

Изучение внутренних оболочек Земли основано на разнице скоростей сейсмических волн при прохождении разных по плотности сред.

На границе различных по плотности слоев происходит преломление и частичное отражение волны (пример с лампой и стеклом). Используют сейсмические волны, порождаемые землетрясениями или искусственными взрывами.

Верхняя часть земной коры – сверхглубокие скважины (12,6 км на Кольском п-ове), самая глубокая шахта – Южная Африка – 3,6 км.

Тепловой режим Земли.

Земная кора имеет 2 источника тепла – Солнце и распад радиоактивных веществ на границе с мантией.

В земной коре выделяют 3 температурные зоны.

1 – зона переменных температур до гл. 30 м, определяется климатом местности;

В зимний период образуется подзона промерзания, которая зависит от климата и типа горной породы и определяется по карте в СНиП, по формулам, по многолетним наблюдениям.

2 – зона постоянных температур до глубины (15-40 м) – среднегодовая Тº местности.

3 – зона нарастания температур – возрастает с глубиной в зависимости от геотермического градиента.

Геотермический градиент – величина возрастания t на каждые 100 м глубины, а глубина, при которой tº повышается на 1º С называется геотермическая ступень. Теоретически средняя величина этой ступени составляет 33 м.