А. Вегенер: «Происхождение континентов и океанов»
· Предварительные замечания по истории вопроса
· Сущность теории дрейфа материков
· Геодезические аргументы
· Геофизические аргументы
· Геологические аргументы
· Палеонтологические и биологические аргументы
· Палеоклиматические аргументы
· Основные выводы о теории дрейфа
· Движущие силы
· Сиалическая геосфера
· Дно глубоких морей
В. А. Дедеев, П. К. Куликов: «Происхождение структур земной коры»
· Общие сведения о Земле, её внутреннем строении и агрегатном состоянии
· Тектонические структуры
· Тектонические движения
· Приповерхностное экзогенное структурообразование
· Верхнекоровое эндогенное структурообразование
· Коромантийные радиальные и производные от них горизонтальные структурообразующие движения
· Коромантийные тангенциальные тектонические движения, их природа и геологические последствия
· Мантийные сверхглубинные тектонические движения
· Планетарные тектонические движения
О. Г. Сорохтин: «Развитие Земли»
· Краткая история и методология создания общей геологической теории
· Строение и состав современной Земли
· Происхождение Земли и её догеологическая история
· Процесс выделения земного ядра
· Энергетика Земли
· Природа тектонической активности Земли
· Тектоника литосферных плит протерозоя и фанерозоя
· Дрейф континентов в геологической истории Земли
· Происхождение гидросферы и океанов
· Происхождения и эволюция атмосферы на земле
· Происхождение полезных ископаемых
· Происхождение и эволюция жизни на Земле
Химический состав Масса Земли приблизительно равна 5,9736·1024 кг.... Из-за сегрегации по массе область ядра, предположительно, состоит из железа (88,8 %), небольшого количества никеля (5,8 %), серы (4,5 %) и около 1 % других элементов. Примечательно, что углерода, являющегося основой жизни, в земной коре всего 0,1 %.
Структура Земли
]
.
Земля в разрезе. Левая картинка не в масштабе.
Земля имеет в первом приближении форму шара (экваториальный диаметр — 12 754 км, а полярный — около 12 711 км[1]) и состоит из нескольких оболочек, выделенных по химическим или реологическим свойствам. В центре расположено внутреннее ядро с радиусом около 1250 км, которое в основном состоит из железа и никеля. Далее идёт внешнее ядро (состоящее в основном из железа) с толщиной около 2200 км. Над ним лежат 2900 км вязкой мантии, состоящей из силикатов и оксидов, а ещё выше — довольно тонкая твёрдая кора. Она тоже состоит из силикатов и оксидов, но обогащена элементами, которые не встречаются в мантийных породах. Представления о внутренней структуре Земли основываются на топографических, батиметрических и гравиметрических данных, наблюдениях горных пород в обнажениях, образцах, поднятых на поверхность с больших глубин в результате вулканической активности, анализе сейсмических волн, которые проходят сквозь Землю, и экспериментах с кристаллическими твёрдыми телами при давлениях и температурах, характерных для глубоких недр Земли.
Предположения[править | править вики-текст]
Сила гравитации Земли может быть использована для расчета её массы, а также оценки объёма планеты и её средней плотности. Астрономы также могут рассчитать массу Земли по её орбите и влиянию на близлежащие планетарные тела. Исследования твёрдой части Земли, водоёмов и атмосферы позволяют оценить массу, объём и плотность горных пород на определённой глубине, так что остальная масса должна находиться в более глубоких слоях.
Структура[править | править вики-текст]
Недра Земли можно делить на слои по их механическим (в частности реологическим) или химическим свойствам. По механическим свойствам выделяют литосферу, астеносферу, мезосферу, внешнее ядро и внутреннее ядро. По химическим свойствам Землю можно разделить на земную кору, верхнюю мантию, нижнюю мантию, внешнее ядро и внутреннее ядро.
Схематическое изображение внутренней структуры Земли:
1 — континентальная кора;
2 — океаническая кора;
3 — верхняя мантия;
4 — нижняя мантия;
5 — внешнее ядро;
6 — внутреннее ядро;
А — поверхность Мохоровичича;
B — разрыв Гутенберга;
C — разрыв Леманн-Буллен
Геологические слои Земли находятся на следующих глубинах под поверхностью[2][нет в источнике]:
| Глубина | Слой | |
| Километры | Мили | |
| 0-60 | 0-37 | Литосфера (локально колеблется от 5 до 200 км) |
| 0-35 | 0-22 | Кора (локально колеблется от 5 до 70 км) |
| 35-60 | 22-37 | Верхняя часть мантии |
| 35-2890 | 22-1790 | Мантия |
| 100-200 | 62-125 | Астеносфера |
| 35-660 | 22-410 | Верхняя мезосфера (верхняя мантия) |
| 660-2890 | 410-1790 | Нижняя мезосфера (нижняя мантия) |
| 2890-5150 | 1790-3160 | Внешнее ядро |
| 5150-6371 | 3160-3954 | Внутреннее ядро |
Слои Земли были определены косвенно с помощью измерения времени распространения преломлённых и отражённых сейсмических волн, созданных землетрясениями. Ядро не пропускает поперечные волны, а скорость распространения волн отличается в разных слоях. Изменения в скорости сейсмических волн между различными слоями вызывает их преломление благодаря закону Снелла.
Ядро[]
Средняя плотность Земли 5515 кг/м3. Поскольку средняя плотность материала поверхности составляет всего лишь около 3000 кг/м3, мы должны заключить, что плотные материалы существуют в ядре Земли. Ещё одно доказательство высокой плотности ядра основано на сейсмологических данных.
Сейсмические измерения показывают, что ядро делится на две части — твёрдое внутреннее ядро с радиусом ~1220 км и жидкое внешнее ядро с радиусом ~3400 км[3].
Мантия [
Мантия Земли простирается до глубины 2890 км, что делает её самым толстым слоем Земли. Давление в нижней мантии составляет около 140 ГПа (1,4·106 атм). Мантия состоит из силикатных пород, богатых железом и магнием по отношению к вышележащей коре. Высокие температуры в мантии делают силикатный материал достаточно пластичным, чтобы могла существовать конвекция вещества в мантии, выходящего на поверхность через разломы в тектонических плитах. Плавление и вязкость вещества зависят от давления и химических изменений в мантии. Вязкость мантии колеблется от 1021 до 1024 Па·с в зависимости от глубины[4]. Для сравнения, вязкость воды составляет около 10−3 Па·с, а песка — 107 Па·с.
Кора
Кора колеблется от 5 до 70 км в глубину от поверхности. Самые тонкие части океанической коры, которые лежат в основе океанических бассейнов (5-10 км), состоят из плотной (мафической (англ.)) железо-магниевой силикатной породы, такой как базальт.
Ниже коры находится мантия, которая отличается составом и физическими свойствами — она более плотная, содержит в основном тугоплавкие элементы.
Историческое развитие альтернативных концепций
Иллюстрация гипотезы Галлея.
В 1692 году Эдмунд Галлей (в статье, напечатанной в Философских трудах Королевского общества в Лондоне), выдвинул идею о Земле, состоящей из полого корпуса около 500 миль толщиной, с двумя внутренними концентрическими оболочками вокруг внутреннего ядра, соответствующего диаметра планет Венеры, Марса и Меркурия соответственно[5]. Научные данные, независимо полученные геофизикой, геодезией, астрономией и химией, ещё в XIX веке (а частично — в XVIII веке) полностью опровергли гипотезу полой Земли.
]
· Поверхность Мохоровичича
Примечания[править | править вики-текст]
1. ↑ Земля — статья из энциклопедии «Кругосвет»
2. ↑ T. H. Jordan (1979). «Structural Geology of the Earth's Interior». Proceedings of the National Academy of Sciences 76 (9): 4192–4200. DOI:10.1073/pnas.76.9.4192. PMID 16592703.
3. ↑ (May 21, 2010) «Lopsided Growth of Earth's Inner Core». Science 328 (5981): 1014–1017. DOI:10.1126/science.1186212. PMID 20395477.
4. ↑ Uwe Walzer, Roland Hendel, John Baumgardner. Mantle Viscosity and the Thickness of the Convective Downwellings (англ.). Архивировано 8 апреля 2007 года.
5. ↑ N. Kollerstrom (1992). «The hollow world of Edmond Halley». Journal for History of Astronomy 23: 185–192. (архив).
Литература[править | править вики-текст]
· Джеффрис Г. Земля, её происхождение, история и строение, пер. с англ.. — М., 1960.
· Магницкий В. А. Внутреннее строение и физика Земли. — М., 1965.
· Ботт М. Внутреннее строение Земли, пер. с англ.. — М., 1974.
· Жарков В. Н. Внутреннее строение Земли и планет. — 2 изд.. — М., 1983.
· Kruglinski, Susan. Journey to the Center of the Earth. Discover, June 2007.
· Lehmann, I. (1936) Inner Earth, Bur. Cent. Seismol. Int. 14, 3-31
· Schneider, David (October 1996) A Spinning Crystal Ball, Scientific American
· Wegener, Alfred (1915) «The Origin of Continents and Oceans»
Химический состав Земли
Мы уже коснулись немного этого вопроса. Мы видели, что земная кора состоит в основном из магматических горных пород кислого или основного состава и что ее подстилает перидотитовая оболочка ультраосновного состава. Рассмотрим этот вопрос несколько подробнее.
Среди коренных пород, выходящих на поверхность Земли, преобладают осадочные (рис. 13).
Рис. 13. Обнажение осадочных горных пород близ г. Подольска, Моск. обл.
Но по мере увеличения глубины быстро возрастает роль изверженных, или магматических, пород; можно считать, что последние составляют процентов 95 от всей массы пород, заполняющих наружные 10–15 километров толщи земной коры. Поскольку химический состав горных пород известен, тем самым известен и химический состав внешних частей земной коры. Далее положение становится менее ясным. Если наши прежние рассуждения относительно состава и глубины залегания различных слоев в земной коре — гранитного, базальтового — правильны, то можно дать цифры, характеризующие химический состав земной коры («сиаль») в целом. Результаты получаются такими: кислород — около 50 %; кремний — около 25 %; алюминий — около 7 %; железо — около 4 %; далее следуют кальций, натрий, калий, магний, а все остальные элементы — в количествах менее 1 % каждый.
Ниже, в толще «перидотитовой», а затем и «промежуточной» оболочек, как обычно считалось, роль кислорода, кремния и алюминия снижается и на первое место выступает железо. Для всего земного шара, включая и ядро, приводились такие цифры (В. И. Вернадский, А. Е. Ферсман, Г. Вашингтон): железо — около 40 %; кислород — около 28 %, кремний — около 15 %; магний — около 9 %, далее никель, кальций, алюминий, а остальные элементы в количествах менее 1 % каждый.
Какие соображения положены в основу этих расчетов?
Прежде всего, как о том говорилось, данные о распределении плотностей внутри Земли. Сведения о законе изменения плотностей в глубинах Земли могут считаться достоверными. Увеличение плотности с глубиной несомненно, и средняя плотность Земли в целом — 5,52 — вычислена с большой точностью.
Другое обстоятельство — проблема метеоритов. Метеориты, блуждающие в мировом пространстве, выпадают на Землю в довольно больших количествах. В течение года Земля получает в виде метеоритов несколько тысяч тонн вещества. До последнего времени считалось, что метеориты, так же как и астероиды («малые планеты»), представляют собой осколки когда-то распавшейся планеты, орбита которой находилась между Землей и Марсом. Недавно высказана другая мысль, о которой мы уже говорили в начале статьи, касаясь гипотезы О. Ю. Шмидта: планеты суть скопление метеоритов. Так или иначе, в обоих случаях между планетами (в том числе и Землей) и метеоритами имеется, очевидно, некоторая родственная связь, и состав метеоритов не должен сильно отличаться от состава планет, в том числе и Земли.
К настоящему моменту хорошо изучено около 600 выпавших на Землю в разные времена и в разных местах метеоритов. Из них около 50 оказалось железными, остальные — каменные. Железные метеориты содержат 91 % самородного железа, остальное приходится на никель (8 %), фосфор и кобальт (1 %). Каменные метеориты по своему составу очень близки к ультраосновным породам типа перидотитов и содержат преимущественно такие минералы, как оливин, и близкие к нему.
В целом средний химический состав метеоритов, по А. Е. Ферсману, определяется такими цифрами: кислород — около 53 %; кремний — около 15 %; магний — около 13 %; железо — около 12 %; сера — около 2 %; алюминий — около 1 %; остальные элементы — меньше 1 % каждый[4]).
Какие же выводы можно сделать на основании этих сведений?
Прежде всего надо отметить химическое родство тел солнечной системы, химическое тождество их (мы сказали бы химическое единство) — вывод, имеющий большое методологическое значение. Ни одного элемента, ни одного минерала не обнаружено в метеоритах такого, которого бы не было на Земле.
Далее, обращает на себя внимание тот факт, что метеориты по своему химическому составу близки к земной коре, если судить о составе последней по приведенным выше цифрам, основанным на химических анализах горных пород.
Наконец, третье обстоятельство: существование железных метеоритов указывает на возможность значительной дифференциации (разделения) вещества, что, вероятно, относится и к Земле, в условиях которой одним из ведущих факторов в этом отношении могут явиться гравитационные силы (т. е. сила тяжести). Под воздействием силы тяжести минералы тяжелые должны стремиться к центру Земли, минералы легкие — к поверхности. Земля будет расслаиваться, что облегчается пластическим состоянием вещества в глубине земного шара. Такое расслоение называется «гравитационной дифференциацией». В последние годы «гравитационная дифференциация» привлекает большое внимание геологов и геофизиков. В. В. Белоусов предложил гипотезу о причинах тектонических движений, в основу которой положена идея о гравитационной дифференциации; эта идея в свою очередь связана с космогонической теорией О. Ю. Шмидта.
Все изложенное, казалось бы, приближает нас к решению вопроса о составе земного шара, в том числе и его ядра, если бы не одно обстоятельство: опять все то же высокое давление! Дело в том, что при очень высоком всестороннем давлении силикаты, т. е. минералы, из которых состоят ультраосновные породы, могут настолько сильно уплотняться, что переходят в новую, так называемую металлическую фазу, приобретая свойства металлов, в частности железа. Еще в 1939 г. В. Н. Лодочников, профессор Ленинградского горного института, предлагал объяснить поведение сейсмических волн в глубине Земли «уплотнением пронизываемых тел от нагрузки вышележащих пород без всякого изменения вещественного состава этих тел». Позже эту мысль подтвердил английский ученый В. X. Рамсей, показавший с помощью расчетов, что такой процесс возможен и что прежняя гипотеза о железном ядре отнюдь не является обязательной.
Что же в итоге? Изменяется ли состав земных оболочек с глубиной так, что в ядре остается почти одно лишь железо? Или состав не изменяется, но вещество залегающих в глубине минералов переходит в новую фазу и меняются лишь его свойства? Известный советский геофизик В. А. Магницкий пишет по этому поводу так: «…в настоящее время мы должны считать обе гипотезы о строении ядра равноправными рабочими гипотезами». Вероятно, это так; но в последние годы, нужно заметить, накапливается все больше фактов, которые говорят не в пользу гипотезы о железном ядре, а, скорее, в пользу упомянутых выше идей В. Н. Лодочникова.
Химический состав Земли
Главная / — Следующая статья В. А. Дедеев, П. К. Куликов: «Происхождение структур земной коры» / Химический состав Земли
Химический состав Земли (Ботт, 1974; Белоусов, 1975; Ушаков, 1974). Мантия и ядро, составляющие 99% объёма Земли, недоступны для непосредственного изучения. Породы, составляющие земную кору, не отвечают составу внутренних тел планеты, так как их плотность, даже по сравнению со средней плотностью Земли, слишком мала. Тем не менее общее представление о составе Земли благодаря исследованиям В. И. Вернадского, А. Е. Ферсмана и B. М. Гольдшмидта было сформировано уже в начале этого века. Наша планета на 90 % состоит, по-видимому, из четырёх (железо, кислород, кремний, магний) и на 98 % — из восьми химических элементов: вышеназванные четыре плюс никель, кальций, сера и алюминий. На долю всех остальных элементов приходится лишь 2 % от общей массы Земли. Это представление базируется на сопоставлении расчётных физических свойств внутренних оболочек со свойствами различных видов земных пород и отдельных минералов при лабораторных экспериментах с высокими давлениями и температурами, а также на аналогиях с химическим составом метеоритов. Существуют два основных класса метеоритов: один составляют железные, другой — каменные метеориты. Железные метеориты (или сидериты) состоят главным образом из сплавов железа (90 %) с никелем. От общего числа собранных на Земле метеоритов их доля составляет примерно 10 %. Каменные метеориты (аэролиты) состоят из силикатов. Они делятся на две группы:
1 — хондриты, содержащие мелкие округлые зерна (хондры) силикатного (пироксенового, оливинового, смешанного) состава, взвешенные в тонкозернистой массе того же силикатного вещества;
2 — ахондриты, не содержащие хондр. Хондриты имеют преимущественное распространение. Их доля достигает 90 % от общего числа аэролитов. Минеральный состав хондритов подобен составу ультраосновных горных пород, %: оливин — 46, пироксены — 25, плагиоклазы — 11, железо-никелевые компоненты — 12. Существование двух основных классов метеоритов означает, что породившие их материнские тела состояли главным образом из силикатов и железо-никелевых сплавов. Причём силикатные и железо-никелевые массы были обособленны друг от друга: железо-никелевые массы, как более плотные, вероятно, концентрировались в центре тел, а силикаты составляли оболочки.
По аналогии с этим можно предполагать, что Земля также имеет железо-никелевое ядро и мантию, по составу близкую к хондритам. Плотности внутренних масс Земли, установленные геофизическими исследованиями, этому предположению не противоречат. Вопрос о времени разделения первичного космического вещества на силикатную и железо-никелевую фазы до сих пор остаётся дискуссионным.
Сейчас господствует точка зрения, что в момент своего рождения наша планета представляла собой квазиоднородное тело, а её расслоение на оболочки и обособление ядра произошло значительно позднее, причём эти процессы протекали с умеренной скоростью. Разогрев планеты, обусловивший дифференциацию первичного вещества, нарастал постепенно. Земной шар, видимо, никогда не был полностью расплавлен. Если бы такое случилось хотя бы на недолгое время, то дифференциация первичного вещества завершилась бы именно в эту жидкую стадию. Между тем магматические явления, наиболее ярко отражающие дифференциацию и разделение глубинного вещества по удельному весу, имели место на продолжении всей длительной (более 3.5 млрд. лет) геологической истории Земли (Проблемы эволюции..., 1986) и весьма энергично продолжаются в настоящее время. Несомненно, что дифференциация ещё далека от завершения.
Поэтому допускается, что в нижней мантии до сих пор сохраняется исходный средний состав Земли, близкий к хондритовому, и что отделение от неё относительно более лёгких масс, всплывающих вверх, и более тяжёлых масс, погружающихся вниз, является тем энергетическим источником, за счёт которого питаются все эндогенные процессы и поддерживается тектоническая активность Земли на продолжении всей её жизни.