ЕНКМ. Внутреннее строение Земли. Геологическая шкала времени Строение Земли
 Скачать 29.45 Kb.
|
|
Внутреннее строение Земли. Геологическая шкала времени Строение Земли Все земные оболочки взаимосвязаны и проникают друг в друга. Гидросфера всегда присутствует в литосфере и атмосфере, атмосфера — в литосфере и гидросфере и т.д. С атмосферой, гидросферой и литосферой тесно связаны внутренние оболочки Земли. Кроме того, во всех оболочках, кроме мантии и ядра, присутствует биосфера. Ядро Земли Ядро занимает центральную область нашей планеты. Это самая глубокая геосфера. Средний радиус ядра составляет около 3500 км, располагается оно глубже 2900 км. Ядро состоит из двух частей — большого внешнего и малого внутреннего ядер. Внутреннее ядро. Природа внутреннего ядра Земли начиная с глубины 5000 км остается загадкой. Это шар диаметром 2200 км, который, как полагают ученые, состоит из железа (80%) и никеля (20%). Соответствующий сплав при существующем давлении внутри земных недр имеет температуру плавления порядка 4500° С. Внешнее ядро. Судя по геофизическим данным, внешнее ядро представляет собой жидкость — расплавленное железо с примесью никеля и серы. Это связано с тем, что давление в этом слое меньше. Внешнее ядро представляет собой шаровой слой толщиной 2900—5000 км. Чтобы внутреннее ядро оставалось твердым, а внешнее — жидким, температура в центре Земли не должна превышать 4500° С, но и не быть ниже 3200° С. С жидким состоянием внешнего ядра связывают представления о природе земного магнетизма. Магнитное поле Земли изменчиво, из года в год меняется положение магнитных полюсов. Палеомагнитные исследования показали, что, например, на протяжении последних 80 млн. лет имело место не только изменение напряженности поля, но и многократное систематические перемагничивание, в результате которого Северный и Южный магнитные полюса Земли менялись местами. В периоды смены полярности наступали моменты полного исчезновения магнитного поля. Следовательно, земной магнетизм не может создаваться постоянным магнитом за счет стационарной намагниченности ядра или какой-либо его части. Предполагается, что магнитное поле создается процессом, названным эффектом динамо-машины с самовозбуждением. Роль ротора (подвижного элемента), или динамо, может играть масса жидкого ядра, перемещающаяся при вращении Земли вокруг своей оси, а система возбуждения образуется токами, создающими замкнутые петли внутри сферы ядра. Мантия Мантия Земли, расположенная от подошвы земной коры вплоть до поверхности ядра, находящегося на глубине 2900 км, главным образом состоит из окислов кремния, магния и железа. Вещество мантии находится в жидком состоянии, но вязкость его очень высока. Для всей мантии характерны интенсивные конвективные движения, обуславливающие смещения литосферных плит и приводящие к извержению на поверхность Земли высокотемпературных (ок. 1300 С) лав — мантийного вещества. Литосфера и астеносфера Ближайшие к поверхности Земли слои мантии — это лито - и астеносфера. Литосфера состоит из плит, которые при отсутствии внешних воздействий длительное время сохраняют свою форму. Как правило, располагающееся под литосферными плитами вещество астеносферы частично размягчено и под давлением деформируется, течет. Деформируемость астеносферы допускает скольжение по ней литосферных плит. Перемещения литосферных плит, крупнейшие из которых Тихоокеанская, Северо-Американская, Южно-Американская, Африканская, Евразиатская, Индо-Австралийская и Антарктическая, составляют единицы сантиметров (ок. 3 см) в год, однако за миллионы лет им удавалось преодолевать пути в тысячи километров. Соприкасаясь, литосферные плиты взаимодействуют друг с другом и приходят во вращение. Существуют весьма тщательно разработанные глобальные кинематические модели современного относительного движения литосферных плит. Мощность (толщина) литосферных плит составляет от 2 до 100 км. Гидросфера Гидросфера состоит из вод океанов, морей, озер, рек, подземных источников и материковых льдов, а также воды, содержащейся в связанном состоянии в гидросиликатах. Большая часть гидросферы (ок. 63%) сосредоточена в Мировом океане. На пресные воды суши приходится не более 0,05% всех вод, сосредоточенных в верхних геосферах Земли (21,73 • 1020 кг). Средняя глубина океанов 3711 м, а наибольшая 11022 м (Марианский желоб в Тихом океане). Средняя годовая температура поверхности вод океанов 17,5 °С. Мировой океан занимает 70,8% земной поверхности. В океанической воде растворены едва ли не все элементы таблицы Менделеева, преобладают хлор (19,35%) и натрий (10,76%). Земная кора Внешняя оболочка Земли, толщиной менее 10 км под океанами, но более 25 км под материками. Образуется за счет движения литосферных плит, разрушения и выветривания горных пород и осадконакоплений. Океаническая кора состоит в основном из базальтов — пород вулканического происхождения, в которых преобладают полевой шпат и пироксен. Континентальная кора сложена главным образом из гранитов и магматических пород, содержащих преимущественно кварц, кальциевый полевой шпат, кислый плагиоклаз и слюду. Плотность океанической коры больше, чем плотность континентальной коры. Максимальная контрастность рельефа определяется тектонической активностью Земли и достигает 16—17 км. Со временем неровности рельефа уменьшаются, «растекаются» вследствие действия на земную кору гравитационных сил. По этой причине перепады высот в таких древних горных поясах, как, например, Уральские горы, не превышают 2 км. Атмосфера Газовая (воздушная) оболочка Земли, распространяющаяся до высот более 100 км. Атмосфера вращается вместе с Землёй. У поверхности Земли современная атмосфера состоит в основном из азота (78,1%) и кислорода (21%). Давление и плотность воздуха с высотой убывают. В высоте 20-25 км находится слой озона, предохраняющий живые организмы на Земле от вредного для них коротковолнового излучения. В атмосфере часто выделяют пять слоев: тропосфера (достигает на экваторе толщины 16—18 км), стратосфера (доходит до 55 км), мезосфера (достигает высоты 80 км, у верхней границы температура 80-90 С), ионосфера (расположена до высоты 800 км оказывает значительное влияние на распространение радиоволн), экзосфера (простирается от ионосферы до 2000—3000 км, эффективная температура порядка 2000 °С). Магнитосфера Магнитосфера Земли простирается на десятки и даже сотни тысяч километров. Состояние магнитосферы определяется взаимодействием магнитного поля Земли с потоками космических, особенно высокоэнергетических, частиц. Конфигурация силовых линий магнитного поля Земли такова, что движущиеся по ним частицы попадают в так называемые ловушки, курсируя от Северного полушария в Южное и обратно. Магнитные ловушки подобно озоновому слою защищают живые организмы Земли от вредных для них излучений. К сожалению, техническая деятельность человечества разрушает не только озоновый слой, но и магнитные ловушки. Проблемы с озоновым слоем стали предельно актуальными уже в наши дни. Проблемы с магнитными ловушками ожидают человечество в будущем, возможно весьма недалеком. Геологическая шкала времени Интервалы геологического времени (начала периодов и эпох в миллионах лет от настоящего времени).
В названиях эонов и эр присутствует корень «зой» (от греч. zoe — жизнь), сопровождаемый приставками к нему фанеро — (от греч. phaneros — явный), протеро (от греч. proteros — более ранний, первый из двух), кайно (от греч. kainos — новый), мезо (от греч. mesos — средний), палео (от греч. palaios — древний). В названиях геологических эпох присутствует корень «цен». Приставки к корню «цен» характеризуют степень наличия так называемых новых (современных) организмов. Так, выражения «голоцен» и «миоцен» означают соответственно «все новые организмы» (от греч. holos — весь) и «среднее количество новых организмов» (от греч. mios — средний). В названиях геологических периодов от ранней их классификации сохранились только два выражения: третичный и четвертичный (термины первичный и вторичный периоды больше не используются). Часть названий геологических периодов связаны либо с местностями, либо с характером вещественных отложений. Так, девонский период характеризует возраст отложений, впервые изученных в графстве Девоншир в Англии. Меловой период характеризует возрастные особенности геологических отложений, содержащих много мела. История развития концепций геосферных оболочек Земли. Экологические функции литосферы Рассмотрим в свете неклассической концепции глобальной эволюции Земли истории основных геосферных оболочек. История ядра Земли.Формирование ядра Земли началось примерно 4,6 • 109 лет назад (здесь и в дальнейшем в данном разделе отсчет времени ведется по направлению от прошлого к современности). Соответствующие расчеты показывают, что оно особенно интенсивным было в период 3—2,6 • 109 лет тому назад. После 2,6 млрд. лет наращивание массы земного ядра начало резко, а потом плавно убывать. В наши дни масса ядра увеличивается, согласно расчетам, на 130 млрд. т в год. «Металлическое железо» покинуло мантию Земли примерно 500 млн. лет тому назад, оставшийся в ней магнетит (Fе3 O4 ) распадается: 2Fе3 O4 => 3FеО + 5O, при этом FеО переходит во внешнее ядро Земли. Остывание Земли приведет к частичному или полному затвердеванию как ее мантии, так и ядра. Дальнейшая судьба нашей планеты будет зависеть в первую очередь от Солнца — перехода его в состояние белого карлика, что будет сопровождаться гигантским выбросом излучения, которое «опалит» Землю. Из всех геосферных оболочек наибольшие шансы уцелеть в «солнечной парилке» имеет как раз земное ядро. Оно, надо полагать, разогреется, затем вновь остынет и станет космическим путешественником, который либо под действием излучения будет медленно рассеиваться, либо, по случаю, угодит «в топку» неведомой нам звезды. История мантииЗемли.По своему вещественному составу мантия планеты наиболее близка к составу первичного вещества Земли. Тем не менее, именно в ней процессы химико-плотностной дифференциации идут наиболее энергично: на протяжении 4 млрд. лет она проходит все новые стадии своего вещественного обеднения. Тяжелое вещество уходит к центру планеты — в ее ядро. Легкие элементы перемещаются в лито-, атмо- и гидросферу. Из мантии Земли полностью исчезли FeS, Fе, Ni, по сравнению с составом первичной Земли она существенно обеднела легкими веществами (К2 O, Na2 O, N2 , Н2 и др.). Вместе с тем происходящая в мантии химико-плотностная дифференциация приводит к росту в процентном содержании окислов кремния (SiO2 ) и магния (MgO). В сумме эти два окисла составляют около 83% состава современной мантии (против 57% в составе первичного вещества Земли). Современная мантия вся охвачена мощными конвективными движениями, за счет которых тепловая энергия ядра и мантии передается другим геосферным оболочкам. Теплопотери Земли неминуемо приведут к ее остыванию и переходу мантии в твердое, литосферное состояние. Переход Солнца в состояние белого карлика, видимо, будет связан с испарением значительной части литосферы, которая к тому времени будет составлять в фазовом отношении единое целое с затвердевшей мантией планеты. История литосферы.Литосфера образуется в процессе остывания и кристаллизации частично расплавленного вещества мантии Земли. Ее часто называют «силикатным льдом». Имеется в виду, что литосфера, состоящая в основном из силикатов, т.е. солей кремниевых кислот, содержащих SiO4 , формируется подобно образованию льда при замерзании воды. Ее формирование началось 4-3,5 млрд. лет тому назад. Около 2 млрд. лет ушло на формирование суперконтинента Пангеи. Последующая тектоническая деятельность Земли приводит к раскалыванию Пангеи и образованию новых суперконтинентов. Современная история литосферы связана, прежде всего, с тектоникой океанических плит. При раздвижении литосферы вещество астеносферы внедряется в разломы рифтовых зон и, охлаждаясь, образует молодую океаническую литосферу. Океаническая кора способна надвигаться на концы континентальных плит, в результате чего образуются складчатые структуры. Обломки океанических литосферных плит, увлекаясь мантийными потоками, опускаются вплоть до ядра Земли, перемешиваются с другим мантийным веществом и вновь поднимаются на поверхность. Так осуществляются циклы тектонической деятельности Земли. В далеком будущем непременно произойдет их замедление вплоть до полной остановки. История гидросферы.Молодая Земля была лишена гидросферы. Последняя появилась благодаря дегазации Земли, инициируемой изливавшимися на ее изначальную поверхность мантийными расплавами, которые, попав в условия с минимальным давлением, вскипали (как известно, температура кипения тем ниже, чем меньше давление) и выделяли летучие вещества, в том числе пары воды. Чем сильнее нарастали конвективные явления в мантии, тем чаще и в большей массе извергались на поверхность Земли потоки магмы, тем больше становился объем первоначально неглубокого океана. Из-за поглощения части воды океанической, а также континентальной корой глубина океана увеличивалась медленно. И лишь после полного насыщения водой серпентинитового слоя океанической коры, а произошло это около 2,2 млрд. лет назад, дно океана стало быстро опускаться (до средней глубины современного океана). Наибольший приток воды происходил в период охвата конвективными движениями всей мантии Земли, т.е. около 2,6 млрд. лет назад. Приток воды в Мировой океан имеет место и в наши дни, он будет продолжаться и в дальнейшем. Ослабление тектонической активности Земли, остывание ее мантии, образование в этой связи особо глубоких океанических впадин и поглощение части воды глубоко залегающими осадочными породами океанической литосферы приведет к тому, что будут вновь видны срединноокеанические хребты. Превращение Солнца в белый карлик приведет через 5 млрд. лет к такому могучему потоку излучения, что он испарит весь Мировой океан. Возникшему однажды, ему не суждено существовать вечно. История атмосферы.Согласно неклассической концепции глобальной эволюции Земли, история атмосферы связана с дегазацией планеты отнюдь не меньше, чем история гидросферы. Полагают, однако, что уже на ранних этапах своей эволюции (4,7—4 млрд. лет назад) Земля, еще не приобретя гидросферы, уже обладала атмосферой, но крайне разряженной. Она, видимо, состояла главным образом из летучих соединений, которые распространены в космосе, т.е. Н2 , Не, N2 , СН4 , NH3 , Н2 O, СO2 , СО. Рождение плотной атмосферы оказалось связанным с выделением тех летучих соединений, которые попали на Землю в связанном состоянии: вода — с гидросиликатами, азот — с нитридами и нитратами, углекислый газ — с карбонатами и т.д. Подлинным динамическим источником атмосферы Земли оказалась ее начавшаяся активная дегазация (4 млрд. лет назад). Около 3 млрд. лет назад Земля была окутана плотной, состоящей в основном из азота (N2 ) и углекислого газа (СO2 ) атмосферой с давлением до 4 атм. Последующая история Земли связана в основном со своеобразной «заменой» углекислого газа на кислород. Экологические функции литосферы Обычно выделяют четыре экологические функции литосферы: ресурсную, геодинамическую, физическую и химическую. Ресурсная функция литосферыопределяет роль ресурсов, содержащихся в литосфере, а также факторов пространственного характера для жизни биоты и человека. Известно, что литосфера содержит различные материальные ресурсы, большинство из которых активно используются человеком. Именно в этой связи наблюдается значительная ресурсная напряженность, которая не убывает, а нарастает год от года. Весьма тревожная ситуация сложилась с энергетическими ресурсами. Согласно популярным оценкам, газ и нефть перспективны не более чем на 50 лет, уголь приблизительно на 150 лет. До настоящего времени нет четких представлений о тех энергетических ресурсах, которые человечество намерено использовать, допустим, через 50 лет. Атомная энергетика опасна, трудноразрешимой представляется проблема реактивации отходов ядерной промышленности: во всей литосфере пока не обнаружено такого укромного местечка, где можно было бы спрятать радиоактивные вещества в безопасном для биоты состоянии. Не разработаны пути использования в удовлетворяющем человечество количестве солнечной и ветряной энергии (для размещения солнечных батарей и ветряных электростанций требуется много места, а коэффициент полезного действия их все ещё недостаточно высок). Крайнюю озабоченность вызывает ситуация с запасами полиметаллических руд, содержащих никель, кобальт, вольфрам, молибден, медь, свинец, цинк, олово. Считается, что они будут исчерпаны в ближайшие 60 лет; лишь несколько лучше обстоят дела с железными, марганцевыми и хромовыми рудами. Человечество пока намного более успешно разрушает, чем восстанавливает литосферу. С большим трудом осознается, что объектом экологической заботы является такой грандиозный экологический объект, как литосфера. Человечество стало мощной литосферной силой и рельефообразующим фактором. К увеличению сейсмичности приводит интенсивная добыча газа и нефти, закачка воды глубоко под землю, рытье карьеров и котлованов, заполнение водой котловин; оседают плотины электростанций, крупные города типа Токио и Москвы. Глубина депрессий поверхности Земли достигает сотен километров. Человечеству становится тесно на поверхности планеты, а потому оно обращается к подземному геологическому пространству. В этой связи требуется очень точная геоэкологическая оценка. Геодинамическая функция литосферысвязана с масштабными природными и антропогенными процессами, влияющими на жизнь биоты и человека. Речь идет об аномалиях и напряженных состояниях горных массивов, участках повышенной трещиноватости и проницаемости, регионах, опасных в сейсмическом отношении или охваченных деятельностью вулканов. Важнейшее значение приобретает в этой связи прогноз развития катастрофических геологических процессов, эколого-геологическое обоснование возможной инженерной защиты территорий и осуществление этой защиты. Геохимическая функция литосферыкасается в основном тех геохимических неоднородностей, которые представляют опасность для биоты, в том числе человека. Речь идет прежде всего о химическом загрязнении, привнесении в литосферу различных токсикатов (тяжелых металлов, пестицидов, пластмасс, детергентов). Многие химические вещества обладают канцерогенными и мутагенными свойствами. Опасные для жизни человека химические вещества в земной коре находятся в связанном состоянии. Будучи извлеченными из недр Земли, они возвращаются сначала на поверхность планеты, а затем и в глубь нее уже в виде, представляющем большую опасность для человека. Таковы, например, тяжелые металлы — свинец, цинк, ртуть, медь, никель, железо, кадмий и др. Основными же источниками тяжелых металлов являются промышленные предприятия и атомные и тепловые электростанции. Сначала тяжелые металлы попадают в атмосферу, но затем с осадками выпадают на поверхность Земли. Геофизическая функциялитосферы реализуется посредством физических факторов, радиации, шумовых и тепловых эффектов. На поверхности Земли постоянно наблюдается естественный радиационный фон, который с медицинской точки зрения, как правило, не является вредным. Однако есть такие регионы, например, в Индии и Бразилии, где этот фон превышает нормальный в 100 и даже 1000 раз. *Биота– это исторически сложившаяся совокупность живых организмов, обитающая на какой-либо крупной территории. |