Чему равна средняя плотность пород земной коры. Состав и строение земной коры. Взаимодействие экзогенных и эндогенных процессов

О вещественном составе глубинных зон прямых данных практически нет. Выводы базируются на геофизических данных, дополняемых результатами экспериментов и математического моделирования. Существенную информацию несут метеориты и фрагменты верхнемантийных пород, выносимые из недр глубинными магматическими расплавами.

Валовый химический состав Земли очень близок к составу углистых хондритов – метеоритов, по составу близких первичному космическому веществу, из которого формировалась Земля и другие космические тела Солнечной системы. По валовому составу Земля на 92% состоит всего из пяти элементов (в порядке убывания содержания): кислорода, железа, кремния, магния и серы. На все остальные элементы приходится около 8%.

Однако в составе геосфер Земли перечисленные элементы распределены неравномерно - состав любой оболочки резко отличается от валового химического состава планеты. Это связано с процессами дифференциации первичного хондритового вещества в процессе формирования и эволюции Земли.

Основная часть железа в процессе дифференциации сконцентрировалась в ядре. Это хорошо согласуется и с данными о плотности вещества ядра, и с наличием магнитного поля, с данными о характере дифференциации хондритового вещества, и с другими фактами. Эксперименты при сверхвысоких давлениях показали, что при давлениях достигаемых на границе ядра и мантии, плотность чистого железа близко к 11 г/см 3 , что выше фактической плотности этой части планеты. Следовательно, во внешнем ядре присутствует некоторое количество лёгких компонентов. В качестве наиболее вероятных компонентов рассматриваются водород или сера. Так расчёты показывают, что смесь 86% железа + 12% серы + 2% никеля соответствует плотности внешнего ядра и должна находится в расплавленном состоянии при Р-Т условиях этого участка планеты. Твёрдое внутреннее ядро, представлено никелистым железом, вероятно, в соотношении 80% Fe + 20% Ni, что отвечает составу железных метеоритов.

Для описания химического состава мантии к сегодняшнему дню предложено несколько моделей (табл.). Несмотря на имеющиеся между ними различия, всеми авторами принимается, что примерно на 90% мантия состоит из окислов кремния, магния и двухвалентного железа; еще 5 – 10% представлены окислами кальция, алюминия и натрия. Таким образом, на 98% мантия состоит всего из шести перечисленных окислов.

Химический состав мантии Земли

Окислы	Содержание, весовые %
	Пиролитовая модель	Лерцолитовая модель	Хондритовая модель
SiO 2	45,22	45,3	48,1
TiO 2	0,7	0,2	0,4
Al 2 O 3	3,5	3,6	3,8
FeO	9,2	7,3	13,5
MnO	0,14	0,1	0,2
MgO	37,5	41,3	30,5
CaO	3,1	1,9	2,4
Na 2 O	0,6	0,2	0,9
К 2 О	0,13	0,1	0,2

Дискуссионным является форма нахождения этих элементов: в форме каких минералов и горных пород они находятся?

До глубины 410 км, согласно лерцолитовой модели, мантия состоит на 57% из оливина, на 27% из пироксенов и на 14% из граната; её плотность около 3,38 г/см 3 . На границе 410 км оливин переходит в шпинель, а пироксен – в гранат. Соответственно, нижняя мантия состоит из гранат-шпинелевой ассоциации: 57% шпинели + 39% граната + 4% пироксена. Превращение минералов в более плотные модификации на рубеже 410 км приводит к увеличению плотности до 3,66 г/см3, что отражается в возрастании скорости прохождения сейсмических волн через это вещество.

Следующий фазовый переход приурочен к границе 670 км. На этом уровне давление определяет разложение минералов, типичных для верхней мантии, с образованием более плотных минералов. Вследствие такой перестройки минеральных ассоциаций плотность нижней мантии у границы 670 км становится около 3,99 г/см3 и постепенно нарастает с глубиной под воздействием давления. Это фиксируется скачкообразным нарастанием скорости сейсмических волн и дальнейшим плавным нарастанием скорости границы 2900 км. На границе мантии и ядра, вероятно, происходит разложение силикатных минералов на металлическую и неметаллическую фазы. Этот процесс дифференциации мантийного вещества сопровождается ростом металлического ядра планеты и выделением тепловой энергии .

Суммируя приведённые данные, необходимо отметить, что разделение мантии обусловлено перестройкой кристаллической структуры минералов без значимого изменения её химического состава . Сейсмические границы раздела приурочены к участкам фазовых превращений и связаны с изменением плотности вещества.

Раздел ядро/мантия является, как отмечено ранее, очень резким. Здесь резко изменяются скорости и характер прохождения волн, плотность, температура и другие физические параметры. Такие радикальные изменения не могут быть объяснены перестройкой кристаллической структуры минералов и, несомненно, связаны с изменением химического состава вещества.

Более подробные сведения имеются в вещественном составе земной коры, верхние горизонты которой доступны для непосредственно изучения.

Химический состав земной коры отличается от более глубоких геосфер в первую очередь обогащённостью относительно лёгкими элементами – кремнием и алюминием.

Достоверные сведения имеются только о химическом составе самой верхней части земной коры. Первые данные о её составе были опубликованы в 1889 году американским ученым Ф. Кларком, как среднеарифметические из 6000 химических анализов горных пород. Позже, на основании многочисленных анализов минералов и горных пород, эти данные многократно уточнялись, но и сейчас процентное содержание химического элемента в земной коре называется кларком. Около 99 % в составе земной коры занимают всего 8 элементов, то есть они имеют наибольшие кларки (данные об их содержании приведены в таблице). Кроме того, могут быть названы ещё несколько элементов, имеющих относительно высокие кларки: водород (0,15%), титан (0,45%), углерод (0,02%), хлор (0,02%), которые в сумме составляют 0,64%. На все остальные элементы, содержащиеся в земной коре в тысячных и миллионных долях, остаётся 0,33%. Таким образом, в пересчёте на окислы, земная кора в основном состоит из SiO2 и Al2O3 (имеет «сиалический» состав, SIAL), что существенно отличает её от мантии, обогащённой магнием и железом.

Вместе с тем, нужно иметь в виду, что приведённые выше данные о среднем составе земной коры отражают лишь общую геохимическую специфику этой геосферы. В пределах земной коры по составу существенно различается океанический и континентальный типы коры. Океаническая кора образуется за счёт поступающих из мантии магматических расплавов, поэтому в значительно большей степени обогащена железом, магнием и кальцием, чем континентальная.

Среднее содержание химических элементов в земной коры
(по Виноградову)

Химический состав континентальной и океанической коры

Окислы
	Континентальная кора	Океанская кора
SiO 2	60,2	48,6
TiO 2
Al 2 O 3	15,2	16.5
Fe 2 O 3
		12,3
Na 2 O
K 2 O

Не менее значимые различия обнаруживаются и между верхней и нижней частью континентальной коры. В значительной мере это связано с формированием коровых магм, возникающих за счёт плавления пород земной коры. При плавлении разных по составу пород выплавляются магмы, в значительной мере состоящие из кремнезёма и окисла алюминия (они содержат обычно более 64% SiO 2), а оксиды железа и магния остаются в глубинных горизонтах в виде нерасплавленного «остатка». Имеющие малую плотность расплавы, внедряются в более высокие горизонты земной коры, обогащая их SiO 2 и Al 2 O 3 .

Химический состав верхней и нежней континентальной коры
(по Тейлору и Мак-Леннану)

Окислы
	Верхняя кора	Нижняя кора
SiO 2	66,00	54,40
TiO 2
Al 2 O 3	15,2	16.1
		10,6
Na 2 O
K 2 O		0,28

Химические элементы и соединения в земной коре могут образовывать собственные минералы или находится в рассеянном состоянии, входя в форме примесей в какие-либо минералы и горные породы.

Земная кора в научном понимании представляет собой самую верхнюю и твердую геологическую часть оболочки нашей планеты.

Научные исследования позволяют изучить ее досконально. Этому способствуют многократные бурения скважин как на континентах, так и на океанском дне. Строение земли и земной коры на различных участках планеты отличаются и и по составу, и по характеристикам. Верхней границей земной коры является видимый рельеф, а нижней - зона разделения двух сред, которая также известна как поверхность Мохоровичича. Часто ее называют просто "граница М". Это наименование она получила благодаря хорватскому сейсмологу Мохоровичичу А. Он долгие годы наблюдал за скоростью сейсмических движений в зависимости от уровня глубины. В 1909 году он установил наличие разницы между земной корой и раскаленной мантией Земли. Граница М пролегает на том уровне, где скорость сейсмических волн повышается с 7.4 до 8.0 км/с.

Химический состав Земли

Изучая оболочки нашей планеты, ученые делали интересные и даже потрясающие выводы. Особенности строения земной коры делают ее схожей с такими же участками на Марсе и Венере. Более чем 90 % составляющих элементов ее представлены кислородом, кремнием, железом, алюминием, кальцием, калием, магнием, натрием. Сочетаясь между собой в различных комбинациях, они образуют однородные физические тела - минералы. Они могут войти в состав горных пород в разных концентрациях. Строение земной коры весьма неоднородно. Так, горные породы в обобщенном виде представляют собой агрегаты более-менее постоянного химического состава. Это самостоятельные геологические тела. Под ними понимается четко очерченная область земной коры, имеющая в своих границах одинаковое происхождение, возраст.

Горные породы по группам

1. Магматические. Название говорит само за себя. Они возникают из остывшей магмы, вытекающей из жерла древних вулканов. Строение этих пород напрямую зависит от скорости застывания лавы. Чем она больше, тем меньше кристаллы вещества. Гранит, например, сформировался в толще земной коры, а базальт появился в результате постепенного излияния магмы на ее поверхность. Многообразие таких пород довольно велико. Рассматривая строение земной коры, мы видим, что она состоит из магматических минералов на 60 %.

2. Осадочные. Это породы, которые стали результатом постепенного отложения на суше и дне океана обломков тех или иных минералов. Это могут быть как рыхлые компоненты (песок, галька), сцементированные (песчаник), остатки микроорганизмов (каменный уголь, известняк), продукты химических реакций (калийная соль). Они составляют до 75 % всей земной коры на материках.
По физиологическому способу образования осадочные породы делятся на:

• Обломочные. Это остатки различных горных пород. Они разрушались под воздействием природных факторов (землетрясение, тайфун, цунами). К ним можно отнести песок, гальку, гравий, щебень, глину.
• Химические. Они постепенно образуются из водных растворов тех или иных минеральных веществ (соли).
• Органические или биогенные. Состоят из останков животных или растений. Это горючие сланцы, газ, нефть, уголь, известняк, фосфориты, мел.

3. Метаморфические породы. В них могут превращаться другие компоненты. Это происходит под воздействием изменяющейся температуры, большого давления, растворов или газов. Например, из известняка можно получить мрамор, из гранита - гнейс, из песка - кварцит.

Минералы и горные породы, которые человечество активно использует в своей жизнедеятельности, называются полезными ископаемыми. Что они собой представляют?

Это природные минеральные образования, которые влияют на строение земли и земной коры. Они могут использоваться в сельском хозяйстве и промышленности как в естественном виде, так и подвергаясь переработке.

Виды полезных минералов. Их классификация

В зависимости от физического состояния и агрегации, полезные ископаемые можно разделить на категории:

1. Твердые (руда, мрамор, уголь).
2. Жидкие (минеральная вода, нефть).
3. Газообразные (метан).

Характеристики отдельных видов полезных ископаемых

По составу и особенностям применения различают:

1. Горючие (уголь, нефть, газ).
2. Рудные. Они включают радиоактивные (радий, уран) и благородные металлы (серебро, золото, платина). Есть руды черных (железо, марганец, хром) и цветных металлов (медь, олово, цинк, алюминий).
3. Нерудные полезные ископаемые играют существенную роль в таком понятии, как строение земной коры. География их обширна. Это неметаллические и негорючие горные породы. Это строительные материалы (песок, гравий, глина) и химические вещества (сера, фосфаты, калийные соли). Отдельный раздел посвящен драгоценным и поделочным камням.

Распределение полезных ископаемых по нашей планете напрямую зависит от внешних факторов и геологических закономерностей.

Так, топливные полезные ископаемые в первую очередь добываются в нефтегазоносных и угольных бассейнах. Они имеют осадочное происхождение и формируются на осадочных чехлах платформ. Нефть и уголь крайне редко залегают вместе.

Рудные полезные ископаемые чаще всего соответствуют фундаменту, выступам и складчатым областям платформенных плит. В таких местах они могут создавать огромные по протяженности пояса.

Ядро

Земная оболочка, как известно, многослойна. Ядро располагается в самом центре, а его радиус приблизительно равен 3 500 км. Его температура гораздо выше, чем у Солнца и составляет около 10000 К. Точных данных о химическом составе ядра не получено, но предположительно оно состоит из никеля и железа.

Внешнее ядро находится в расплавленном состоянии и имеет еще большую мощность, чем внутреннее. Последнее подвергается колоссальному давлению. Вещества, из которых оно состоит, находятся в постоянном твердом состоянии.

Мантия

Геосфера Земли окружает ядро и составляет около 83 процентов от всей оболочки нашей планеты. Нижняя граница мантии находится на огромной глубине почти 3000 км. Данную оболочку принято условно разделять на менее пластичную и плотную верхнюю часть (именно из нее образуется магма) и на нижнюю кристаллическую, ширина которой составляет 2000 километров.

Состав и строение земной коры

Для того чтобы говорить о том, какие элементы входят в состав литосферы, нужно дать некоторые понятия.

Земная кора - это самая внешняя оболочка литосферы. Ее плотность меньше в два раза по сравнению со средней плотностью планеты.

От мантии земная кора отделена границей М, о которой уже говорилось выше. Так как процессы, происходящие на обоих участках, взаимно влияют друг на друга, их симбиоз принято называть литосферой. Это означает "каменная оболочка". Ее мощность колеблется в пределах 50-200 километров.

Ниже литосферы расположена астеносфера, которая обладает менее плотной и вязкой консистенцией. Ее температура составляет около 1200 градусов. Уникальной особенностью астеносферы является возможность нарушать свои границы и проникать в литосферу. Она является источником вулканизма. Здесь находятся расплавленные очаги магмы, которая внедряется в земную кору и изливается на поверхность. Изучая эти процессы, ученые смогли сделать много удивительных открытий. Именно так изучалось строение земной коры. Литосфера была сформирована много тысяч лет назад, но и сейчас в ней происходят активные процессы.

Структурные элементы земной коры

По сравнению с мантией и ядром, литосфера - это жесткий, тонкий и очень хрупкий слой. Она сложена из комбинации веществ, в составе которых на сегодняшний день обнаружено более 90 химических элементов. Они распределены неоднородно. 98 процентов массы земной коры приходится на семь составляющих. Это кислород, железо, кальций, алюминий, калий, натрий и магний. Возраст самых древних пород и минералов составляет более 4.5 миллиардов лет.

Изучая внутреннее строение земной коры, можно выделить различные минералы.
Минерал - сравнительно однородное вещество, которое может находиться как внутри, так и на поверхности литосферы. Это кварц, гипс, тальк и т.д. Горные породы слагаются из одного или нескольких минералов.

Процессы, формирующие земную кору

Строение океанической земной коры

Данная часть литосферы преимущественно состоит из базальтовых пород. Строение океанической земной коры изучено не так досконально, как континентальное. Теория тектонических плит объясняет, что океаническая земная кора является относительно молодой, а самые ее последние участки можно датировать поздней юрой.
Ее толщина практически не изменяется со временем, так как она определяется количеством расплавов, выделяющихся из мантии в зоне срединно-океанических хребтов. На нее существенно влияет глубина осадочных слоев на дне океана. В наиболее объемных участках она составляет от 5 до 10 километров. Данный вид земной оболочки относится к океанической литосфере.

Континентальная кора

Литосфера взаимодействует с атмосферой, гидросферой и биосферой. В процессе синтеза они образуют самую сложную и реакционно активную оболочку Земли. Именно в тектоносфере происходят процессы, изменяющие состав и строение этих оболочек.
Литосфера на земной поверхности не однородна. Она имеет несколько слоев.

1. Осадочный. Он в основном образуется горными породами. Здесь преобладают глины и сланцы, а также широко распространены карбонатные, вулканогенные и песчаные породы. В осадочных слоях можно встретить такие полезные ископаемые, как газ, нефть и каменный уголь. Все они имеют органическое происхождение.
2. Гранитный слой. Он состоит из магматических и метаморфических пород, которые наиболее близки по своей природе к граниту. Этот слой встречается далеко не везде, наиболее ярко он выражен на континентах. Здесь его глубина может составлять десятки километров.
3. Базальтовый слой образуют породы, близкие к одноименному минералу. Он более плотный, чем гранит.

Глубина и изменение температуры земной коры

Поверхностный слой прогревается солнечным теплом. Это гелиометрическая оболочка. Она испытывает сезонные колебания температуры. Средняя мощность слоя составляет около 30 м.

Ниже находится слой, еще более тонкий и хрупкий. Его температура постоянна и приблизительно равна среднегодовой, характерной для этой области планеты. В зависимости от континентального климата глубина этого слоя увеличивается.
Еще глубже в земной коре находится еще один уровень. Это геотермический слой. Строение земной коры предусматривает его наличие, а его температура определяется внутренним теплом Земли и возрастает с глубиной.

Повышение температуры происходит за счет распада радиоактивных веществ, которые входят в состав горных пород. В первую очередь это радий и уран.

Геометрический градиент - величина нарастания температуры в зависимости от степени увеличения глубины слоев. Этот параметр зависит от разных факторов. Строение и типы земной коры влияют на него, так же как и состав горных пород, уровень и условия их залегания.

Тепло земной коры является важным энергетическим источником. Его изучение очень актуально на сегодняшний день.

Масса Земли равна 5,98 X 10 24 кг, т. е. около 6 тыс. триллионов т, а её средняя плотность 5,52 г/куб. см. Вместе с тем средняя плотность внешних слоёв земной коры вдвое меньше.

Сопоставляя эти цифры, необходимо прийти к выводу, что внутренность нашей планеты должна иметь плотность не менее 8,37.

В центре Земли плотность достигает 17,2 г/куб. см при давлении 3 млн. атм и что она особенно резким скачком (от 5,7 к 9,4) меняется на глубине 2900 км, а затем на глубине 5 тыс. км. Первый скачок позволяет выделить в земном шаре плотное ядро, а второй - подразделить это ядро на внешнюю (2900-5000 км) и внутреннюю (от 5 тыс. км до центра) части.

Естественнее всего думать, что столь высокая плотность центральных частей обусловлена огромными давлениями, существующими в глубине Земли, в результате чего материя находится там в состояние исключительно большого сжатия. Это объяснение сейчас приобретает всё большее число сторонников. Пока давление в Земле не достигает известного критического предела - плотность изменяется постепенно; когда этот предел (видимо, 1,3 млн. атм) достигнут, - вещество скачком переходит в более плотную «металлоподобную» фазу.

Другое объяснение сводится к предположению, что внутренность Земли состоит из веществ большего удельного веса, чем земная кора, преимущественно из металлов. Так как плотность и твёрдость внутренних частей Земли сравнительно мало отличаются от плотности и твёрдости железа в обычных физических условиях, то большинство учёных придерживается мнения, что земное ядро построено из железа с примесью никеля. Таким образом, вторая гипотеза постулирует расслоение Земли на оболочки, резко отличающиеся по своему химическому составу; первая же, не отрицая известной дифференциации вещества по удельному весу, главную причину изменения плотности материи внутри Земли видит в физических условиях (возрастании давления) и полностью отрицает существование металлического ядра. Средняя плотность планет тем выше, чем больше размеры планеты: Меркурий 3,8 г/куб. см, Марс 3,93, Земля 5,52. Это говорит о возможности значительного уплотнения вещества под действием возрастающего давления.

Особенно крупные услуги в изучении глубоких недр земного шара оказывает сейсмология, наука о землетрясениях. Сейсмические волны в руках современных геофизиков стали своего рода лучами, как бы просвечивающими нашу планету и позволяющими делать известные заключения об её внутреннем состоянии и строении.

Землетрясение - это результат внутренних напряжений в земном веществе, приводящих к разрыву масс и к их смещению. Смещение может быть очень небольшое, но упругие волны, порождённые им, распространяются в теле Земли на громадные расстояния от места своего возникновения, именуемого очагом. Центр тяжести сейсмического очага носит название гипоцентра. Действие волн скажется для нас прежде всего в той точке (вернее области) земной поверхности, которая находится ближе всего к очагу, - в так называемом эпицентре, лежащем на одной вертикали с гипоцентром.

Упругая волна - сферическая. Радиусы сферы, т. е. траектории распространения волн, называются сейсмическими лучами.

При землетрясении возникают волны трёх родов:

1) продольные волны (Р), могут возникать в любых телах - твёрдых, жидких и газообразных; напоминают звуковые волны; движутся быстрее всех других волн, порождаемых землетрясением;

2) поперечные волны (S), движущиеся медленнее продольных; напоминают световые волны; являются волнами сдвига, могут возникать и распространяться только в твёрдой среде;

3) ещё более медленные поверхностные волны (L) - сложная группа волн, которые образуются только в поверхностных частях земной коры, а на глубине затухают; начинаясь от эпицентра, они вызывают на земной поверхности сильные смещения и разрушения.

Все эти волны расходятся от сейсмического очага разными путями, вследствие чего на станции, удалённой от эпицентра, прибытие их регистрируется разновременно. Позже всего приходят длинные волны L, так как они распространяются только по периферии Земли. Волны Р и S, пронизывающие тело Земли на больших глубинах, приходят раньше, причём первыми регистрируются более быстрые продольные волны (Р - primae - первые), а затем более медленные поперечные (S - secundae - вторые).

Если бы тело Земли было однородно, сейсмические лучи волн Р и S были бы прямыми линиями. Постепенное увеличение плотности Земли с глубиной дало бы вогнутые траектории, обращённые выпуклостью внутрь Земли. Если же плотность Земли с глубиной меняется скачками, то в этих вогнутых кривых должны быть переломы на границах сред, обладающих разными плотностями, не говоря уже о частичном отражении волн. Именно последнюю картину мы и наблюдаем.

Исследование скоростей сейсмических волн, их характера и траекторий приводит к следующим заключениям:

1) при прохождении сквозь тело Земли продольных и поперечных волн скорости этих волн изменяются, что свидетельствует об изменениях свойств проходимой ими среды;

2) скорости изменяются скачками, - значит, изменение свойств среды происходит тоже скачками;

Имеется в сущности два резких перелома скоростей: на глубине 60 км и на глубине 2900 км. Иными словами, отчётливо обособляются только внешний слой (земная кора) и внутреннее ядро. В промежуточном между ними поясе, а также внутри ядра налицо лишь изменение темпа увеличения скоростей.

Видно также, что Земля до глубины 2900 км находится в твёрдом состоянии, так как через эту толщу свободно проходят поперечные упругие волны, которые только и могут возникать и распространяться в твёрдой среде. Прохождение поперечных волн сквозь ядро не наблюдалось, и это давало основание считать его жидким. Однако новейшие расчёты М. С. Молоденского показывают, что хотя модуль сдвига в ядре невелик, но всё же не равен нулю (как это характерно для жидкости) и, стало быть, ядро Земли ближе к твёрдому, чем к жидкому состоянию. Разумеется, в данном случае понятия «твёрдого» и «жидкого» нельзя отождествлять с аналогичными понятиями, применяемыми к агрегатным состояниям вещества на земной поверхности: внутри Земли господствуют высокие температуры и огромные давления, каких нет в ландшафтной оболочке.

О химическом составе внутренних частей планеты нет единодушного мнения, так как говорить о химическом составе вещества, опираясь по сути дела только на представления об изменении его плотности, весьма затруднительно.

Земная кора состоит преимущественно из гранитов; осадочные породы в ней имеют подчинённое значение. Под гранитной оболочкой предполагают существование слоя, близкого по составу к базальту или перидотиту. На сравнительно уже небольших глубинах, где температура и давление достаточно высоки, твёрдые горные породы обладают свойством пластичности, т. е., подвергаясь давлению, способны менять свою форму и сохранять это изменение формы после прекращения давления.

Гранитная оболочка, в составе которой огромную роль играют кремний (Si) и алюминий (Al), называется «сиалической», или просто «сиаль». Удельный вес её в среднем 2,7-2,8. Она не сплошная и характеризуется переменной мощностью: в Западной Европе и Северной Америке 26-28 км, на Кавказе 50 км, в Тянь-Шане 84 км, в Атлантическом океане до 18 км; в центральных частях Тихого океана сиаля нет вовсе. И прерывистость распространения, и различная мощность одинаково говорят против того, что гранитная оболочка есть результат застывания первоначально расплавленной земной поверхности, т. е. «жора» в собственном смысле этого слова: из расплава должна была бы образоваться сплошная сиалическая оболочка и притом одинаковой толщины.

Подстилающий гранитную оболочку базальтовый слой, где, кроме кремния и алюминия, важную роль играет ещё и магний, принято сокращённо обозначать «сима» (силиций + магний). Эта оболочка, удельный вес которой 3,2-3,3, уже сплошная. В глубоких местах Тихого и Атлантического океанов сима либо непосредственно слагает самое дно, будучи перекрыта небольшой толщей морских грунтов и водой, либо отделена от воды тонкой (около 5 км) корой сиаля.

Чем можно объяснить расслоение Земли по крайней мере на две концентрические сферы, облекающие плотное ядро?

Земля возникла как холодное тело из постепенно разраставшегося сгустка космической пыли и была первоначально однородна по своему составу в том смысле, что вещество её представляло беспорядочную смесь частиц различного удельного веса. По достижении планетой определённых размеров в ней началась физико-химическая и гравитационная дифференциация вещества, т. е. очень медленное опускание более тяжёлых элементов вглубь и поднятие более легких кверху. На глубине скорость этого процесса была меньше, чем в верхних слоях, так как вязкость вещества, под влиянием всё возрастающего давления, с глубиной увеличивается. Надо поэтому думать, что обособление так называемой земной «коры» и обособление ядра обязаны существенно разным причинам. Ядро возникло путём скачкообразного уплотнения вещества, когда внутри растущей планеты давление достигло некоторого критического значения. По Б. Ю. Левину, это могло случиться только после того, как масса Земли выросла до 0,8 её современной массы; образование ядра сопровождалось, вследствие уменьшения объёма центральных частей планеты, опусканием поверхности Земли примерно на 100 км. Что касается поверхностных слоёв, то здесь дифференциация протекала легче и притом в своём наиболее чистом виде: из однородной массы базальтового состава выделились и всплыли кверху более лёгкие кислые составные части. Возникновение ядра сузило область действия дифференциации: его уплотнённое давлением вещество в значительной степени утеряло «потребность» (и физическую возможность) к всплыванию на более высокие уровни за пределы ядра. Уже одно это говорит против предположения, будто ядро может состоять из какого-то одного, почти в совершенстве «отпрепарированного» вещества (например, железа). По-видимому, оно даже гораздо меньше дифференцировано, чем вышележащие слои.

Хорошее доказательство дифференциации можно найти в характере извержений современных нам вулканов. Последнее извержение Геклы началось 29 марта 1947 г. и продолжалось 13 месяцев, причём лава начальной фазы извержения состояла из более кислых продуктов (59% SiO 2), чем лава последней фазы (54% SiO 2 - базальт). Очевидно, более кислая лава поступала из верхних частей магматического бассейна, основная - из более глубоких. Это свидетельствует, что за сто лет, прошедших со дня предыдущего извержения (1845 г.), в магматическом очаге, находившемся в спокойном состоянии, лава как бы «отстоялась», произошла её гравитационная дифференциация: более кислые лёгкие части оказались вверху, более основные, тяжёлые - внизу.

Если какой-нибудь вулкан извергается часто - лава не успевает дифференцироваться и заметного различия в продуктах извержения нет. Но чем дольше период покоя между извержениями, тем глубже дифференциация, - оттого одни и те же вулканы в одних случаях изливают основную лаву, в других кислую.

Излияние жидкой расплавленной лавы на поверхность не противоречит утверждению, что недра Земли находятся в твёрдом состоянии. Отдельные магматические очаги могут возникать под влиянием разогрева земной коры в областях значительной местной концентрации радиоактивных элементов. Кроме того, на больших глубинах, где температуры высоки и в обычных условиях были бы достаточны для расплавления горных пород, последние продолжают оставаться твёрдыми по причине колоссальных давлений, повышающих температуру плавления. Следовательно, достаточно ослабить давление, чтобы перегретое вещество перешло в жидкость и стало содержащимися в нём газами увлекаться к поверхности Земли. При гравитационной дифференциации восходящие движения, т. е. перенос вещества в области убывающего давления, осуществляются в самом широком масштабе.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Самая верхняя из твёрдых оболочек нашей планеты носит название земной коры; вместе с верхней мантией она образует литосферу. Граница между корой и верхней мантией, называемая поверхностью Мохоровичича, лежит под континентами на глубине в среднем ~ 50 км, тогда как под океанами толщина коры составляет всего 5-10 км. Верхнюю часть континентальной земной коры составляет осадочный чехол (педосфера), а вся остальная её толща разделяется на два слоя - гранитный и базальтовый (поверхность раздела между ними называют поверхностью Конрада).

Состав земной коры образовался, в основном, в результате высвобождения веществ из верхней мантии Земли. Состав этой оболочки эволюционировал во времени, прежде всего, за счет возгонки элементов из мантии в результате частичного плавления на глубине около 100 км. Глубина Земли составляет 6371 км; земной коры ~ 40 км, верхняя мантия ~ 40-70 км, нижняя мантия: 700-2900 км; внешнее ядро ~ 2900-5150 км; внутреннее ядро ~ 5150-6371 км. Более 92 % массы литосферы приходится на долю только 4-х элементов - железа, кислорода, кремния и магния. Земная кора по своему составу оказывается более обогащённой кислородом и кремнием. Эти элементы вместе с алюминием образуют самые распространённые в коре соединения - силикаты и алюмосиликаты. Примерно на 90 % масса земной коры образована силикатами алюминия, железа, кальция, магния, калия и натрия, а также оксидом кремния. Земная оболочка имеет толщину < 0,0001 % от объема планеты. Средний химический состав современной коры имеет следующий вид:

О - 46,6 %; Si - 27,7 %; Аl - 8,1 %; Fе - 5,0%; Са- 3,6 %; Nа - 2,8 %; К - 2,6 %; Мg - 2,1 %; прочие 1,4%.

Для характеристики распространённости химических элементов в земной коре известный геохимик А.Е. Ферсман предложил ввести понятие кларка - среднего значения относительного содержания химического элемента. Эта величина названа в честь американского учёного-химика, который в последние десятилетия XIX века наметил пути статистического изучения распространённости элементов. В более широком понимании кларк относят не только к земной коре, но и к другим глобальным (например, растительность континентов) и космическим системам. Различия в кларках химических элементов очень велики. Условно элементы делят на 2 группы: главные, с содержанием не менее 0,1 %, и рассеянные. К главным элементам (по мере убывания) в земной коре можно отнести следующие 10 химических элементов: О, Si, Al, Fe, К, Са, Na, Mg, Ti, Н. Они образуют самостоятельные химические соединения (минералы), а входящие во вторую группу преимущественно рассеяны в природных минералах. Особенность распределения рассеянных элементов в земной коре заключается в их способности образовывать скопления (месторождения), в которых их содержание в сотни и тысячи раз превышает кларковые. Среднее содержание рассеянного химического элемента в данном регионе формирует его геохимический фон. Участки с повышенной концентрацией элемента (по сравнению с региональной) называют геохимическими аномалиями или геохимическими провинциями.

Важной составляющей литосферы являются подземные воды. Вода присутствует в земной толще как в свободном виде, так и в связанной форме, а также различных агрегатных состояниях: в виде паров, жидкости и льда. Подземные воды представляют собой сложную физико-химическую систему, находящуюся в динамическом равновесии с вмещающими породами.

Свободные воды подземной гидросферы в той или иной степени минерализованы, и наиболее редкими (~ 2 %) оказываются пресные воды. В основном это грунтовые воды, непосредственно связанные с поверхностными источниками (реки, озёра, водохранилища). Общая минерализация их не превышает 1 г/л (1 ‰), а по составу они относятся к гидрокарбонатным. Как правило, грунтовые воды отличаются высоким (до 35 мг/л и более) содержанием растворённого органического вещества. Основной объём подземной гидросферы приходится на долю солёных (до 35 г/л) и рассольных (с минерализацией до 500-600 г/л) вод. Их формирование протекает в глубинных слоях осадочных пород в зонах медленного водообмена в течение сотен тысяч и миллионов лет. По составу они относятся главным образом к хлоридным. Промежуточное положение между пресными (грунтовыми и артезианскими) и солёными обычно занимают солоноватые воды с минерализацией до 10 г/л. Они образуют все основные классы - гидрокарбонатные, хлоридные и сульфатные. В сравнении с пресными грунтовыми, солоноватые воды содержат меньше растворённых газов атмосферного происхождения. По мере увеличения глубины залегания в подземных водах увеличивается концентрация газов глубинного генезиса (СО 2 , Не, СН 4 и др.)

Земная кора постоянно подвергается различного рода воздействиям как внутреннего (эндогенного), так и внешнего (экзогенного) характера. Движущей силой эндогенных процессов является внутренняя энергия Земли. Например, микробиологическое выщелачивание рассеянных элементов происходит не только путём окисления, но и при восстановлении окисленных руд. В нём принимают участие различные микроорганизмы. В частности, восстановление Fe 3+ до Fe 2+ и Мn 4+ до Мn 2+ осуществляется бактериями родов Bacillus и Pseudomonas. Экзогенные процессы протекают на поверхности Земли или на небольшой глубине в земной коре и обусловлены внешними силами: энергией солнечного излучения, силами гравитации, движущихся воды и льда, жизнедеятельностью организмов. Мощным экзогенным фактором, воздействующим на земную кору, стала в настоящее время деятельность человека. Если до 2-ой половины XX в. недра использовались почти исключительно для добычи полезных ископаемых и питьевого водоснабжения, то сейчас в них создают хранилища нефти и газа, ведут захоронение отходы химической и ядерной промышленности. Особенно сильное влияние на геодинамические и гидрологические процессы оказывают подземные ядерные взрывы.

Наиболее достоверные сведения о химическом составе земной коры относятся к ее континентальной части. При расчете химического состава земной коры принимают определенную пропорцию кислого (гранитного) и основного (базальтового) материала. А.П. Виноградов в 1962 г. считал, что, вероятнее всего земная кора представляет собой смесь кислых и основных пород в пропорции 2:1. А.Б. Ронов и А.А. Ярошевский расчетным путем определили это соотношение как примерно 4:1, А.А. Полдерват в 1955 г. допускал это соотношение как 1:1. Из приведенных данных следует, что расчеты состава земной коры носят приближенный характер. Средний химический состав земной коры является ее важной химической характеристикой, необходимой для выяснения ряда глобальных геохимических процессов. Вещество земной коры выделилось из мантии в результате выплавления, дегазации и выноса этих продуктов в верхние горизонты планеты (табл. 1).

Таблица 1. Химический состав земной коры по А.Б. Ронову и А.А. Ярошевскому, 1976 г.(в среднем, %)

Краткая характеристика горных пород

По своему происхождению горные породы разделяют на 3 большие группы:

1. Магматические (изверженные), возникшие при застывании на поверхности или в недрах земной коры магмы - особого силикатного расплава, насыщенного газами.

2. Осадочные, образовавшиеся путем осаждения неорганических и органических веществ на дне различных водоемов и на поверхности континентов.

3. Метаморфические, появившиеся в процессе изменения (перекристаллизации) осадочных и изверженных пород под влиянием повышенных температур и давлений.

Изверженные породы включают в состав (%): гранит (SiO 2 ~ 71, Al 2 O 3 ~ 14-15, Na 2 O ~ 3.3, K 2 O ~ 4.0, Fe 2 O 3 + Fe ~ 3.5, остальное: Н 2 О, СаО, ТiО 2 , МgО);

Базальт (SiO 2 ~ 49, Al 2 O 3 ~ 18, Fe 2 O 3 + Fe ~ 9, СаО ~ 11, МgО ~ 8, остальное: Н 2 О, ТiО 2 , Na 2 O, K 2 O).

Осадочные породы включают (%): а) глина (SiO 2 ~ 62; Al 2 O 3 ~ 17; Н 2 О ~ 5; Fe 2 O 3 + Fe ~ 5, остальное: СаО, ТiО 2 , МgО, K 2 O, Na 2 O, СО 2);

б) песчаник (SiO 2 ~ 94; Al 2 O 3 ~ 1,1; СаО ~ 1,1; остальное: Na 2 O 3 ; K 2 O; Fe 2 O 3 + Fe; Н 2 О, ТiО 2 , МgО).

в) известняк (SiO 2 ~ 5; СаО ~ 43; СО 2 ~ 42; остальное: до 100 %.

Метаморфические породы (%): а) амфиболиты (SiO 2 ~ 50; Al 2 O 3 ~ 17; МgО ~ 7; СаО ~ 9; Fe 2 O 3 + Fe ~ 10; все остальные соединения - до 100 %);

б) сланец (SiO 2 ~ 63; Al 2 O 3 ~ 18; Fe 2 O 3 + Fe ~ 6; СаО ~ 2; Fe 2 O 3 + Fe ~ 6; К 2 О ~ 3; Н 2 О ~ 2,5; все остальные соединения - до 100 %).

Горные породы как естественные ассоциации минералов обладают целым рядом физических свойств, знание которых необходимо для решения многих вопросов: плотность, теплопроводность, естественная радиоактивность*, электрические свойства (удельное электрическое сопротивление, поляризуемость, диэлектрическая проницаемость, электрохимическая активность), магнитные свойства (магнитная восприимчивость, индуцированная намагниченность, остаточная намагниченность, естественная остаточная намагниченность), упругие и физико-механические свойства (скорость распространения продольных и поперечных сейсмических волн, динамическим модулям упругости, модулям деформации и сдвига).

* -естественная радиоактивность горных пород определяется спонтанным распадом (неуправляемым) сосредоточенных в них радиоактивных изотопов. Главными и наиболее распространенными являются: 232 Тh, 235 U, 238 U, 40 К. Радиоактивность проявляется в испускании б-, в-частиц, г-фотонов.

В биосфере нашей планеты существуют различные формы движения материи, взаимосвязанные друг с другом. В ней совершается массовый перенос твердых, жидких и газообразных масс под влиянием энергии солнечных лучей и внутренней энергии планеты, связанной, главным образом, с радиоактивным распадом и выделяемой атомной энергией.

Представление о большом круговороте вещества в верхних горизонтах Земли, как учение о крупных геологических циклах, было разработано в целостном виде В.И. Вернадским и названы эти циклы геохимическими. Наиболее крупный по масштабам круговорот - это процесс формирования магматических горных пород, которые возникают при застывании магмы, поступившей в литосферу из глубин Земли. На поверхности земной коры материал изверженных горных пород подвергается разрушению - выветриванию и естественно переходит в подвижное состояние. Продукты разрушения сносятся геологическими агентами (водой, ветром) в пониженные части рельефа (денудация), а затем в водоемы. Таким образом, осадочные породы в ходе геологического времени погружаются на большие глубины, где подвергаются метаморфизму и переплавлению снова в магму. Последняя в благоприятных геологических условиях может снова попасть в верхние слои литосферы, где застывает в форме различных горных пород. Таким образом, в течение огромных интервалов геологического времени происходит глобальный круговорот вещества: магматическая порода - осадочная порода - метаморфическая порода - магма. Различные участки земной коры, наблюдаемые нами на поверхности земного шара, по существу являются звеньями этого круговорота.

Земля входит в состав Солнечной системы, находится на дистанции 149,8 миллионов километров от Солнца и является пятой по размеру среди других планет.

Немного о планете Земля

Скорость обращения небесного тела вокруг Солнца составляет 29,765 км/с. Полный оборот она делает за 365.24 солнечных суток.

Наша планета Земля обладает одним спутником. Это Луна. Она находится на орбите нашей планеты на дистанции 384 400 км. У Марса насчитывается два спутника, а у Юпитера - шестьдесят семь. Средний радиус нашей планеты составляет 6371 км, при этом она похожа на эллипсоид, немного сплюснутый у полюсов и вытянутый по экватору.

Масса и плотность Земли

Её масса составляет 5,98*1024 кг, а средняя плотность Земли равна 5.52 г/см 3 . В то же время этот показатель у земной коры находится в пределах 2.71 г/см 3 . Из этого следует, что плотность планеты Земля значительно увеличивается по направлению к глубине. Это связано с особенностью ее строения.

Впервые средняя плотность Земли была определена И. Ньютоном, который вычислил ее в размере 5-6 г/см 3 . Ее химический состав имеет сходство с планетами земной группы, такими как Венера и Марс и частично Меркурий. Состав Земли: железо - 32%, кислород - 30%, кремний - 15%, магний - 14%, сера - 3%, никель - 2%, кальций - 1,6% и алюминий - 1,5%. На остававшиеся элементы в сумме приходится около 1,2%.

Наша планета - голубая путешественница в космосе

Нахождение Земли недалеко от Солнца влияет на наличие тех или других химических веществ как в жидком, так и газообразном состоянии. Благодаря этому разнообразен, образовалась атмосфера, гидросфера и литосфера. Атмосфера в основном состоит из смеси газов: азота и кислорода 78% и 21% соответственно. А также углекислого газа - 1,6% и ничтожного количества инертных газов, таких как гелий, неон, ксенон и других.

Гидросфера нашей планеты состоит из воды и занимает 3/4 её поверхности. Земля — единственная известная на сегодня планета Солнечной системы, которая обладает гидросферой. Вода сыграла решающую роль в процессе возникновения жизни на Земле. Благодаря ее циркуляции и высокой теплоёмкости гидросфера уравновешивает климатические условия на разных широтах и формирует климат на планете. Её представляют океаны, реки и Твёрдая часть нашей планеты состоит из осадочных образований, гранитного и базальтового слоя.

и её структура

Земля, как и остальные планеты земной группы, обладает слоистым внутренним строением. В её центре находится ядро.

Далее следует мантия, которая занимает значительную часть объёма планеты, а затем Между собой образовавшиеся слои сильно отличаются по своему составу. За срок существования нашей планеты, свыше 4,5 миллиардов лет, более тяжёлые породы и элементы под воздействием силы тяжести проникали все дальше и дальше в центр Земли. Другие элементы, более лёгкие, оставались ближе к её поверхности.

Сложность и недосягаемость изучения недр

Человеку очень сложно проникнуть вглубь Земли. Одна из самых глубоких скважин пробурена на Кольском полуострове. Её глубина достигает 12 километров.

При этом расстояние от поверхности до центра планеты составляет более 6300 километров.

Используем косвенные инструменты исследования

Из-за этого недра нашей планеты, размещённые на значительной глубине, анализируют по результатам сейсмической разведки. Каждый час в разных точках Земли отмечается примерно десять колебаний ее поверхности. На основании полученных данных тысячи сейсмических станций проводят исследование распространения волн при землетрясении. Эти колебания распространяются точно так же, как круги на воде от брошенного объекта. Когда волна проникает в более уплотнённый слой, её скорость резко изменяется. Используя полученные данные, учёные смогли определить границы внутренних оболочек нашей планеты. В строении Земли различают три основных слоя.

Земная кора и её свойства

Верхняя - это земная кора. Её толщина может варьироваться от 5 километров в океанических областях до 70 километров в горных районах материковой части. По отношению ко всей планете эта оболочка не толще яичной скорлупы, а под ней бушует подземный огонь. Отголоски глубинных процессов, происходящих в недрах Земли, которые мы наблюдаем в виде извержений вулканов и землетрясений, вызывают большие разрушения.

Земная кора - это единственный слой, который доступен людям для жизни и полноценных исследований. Структура земной коры под континентами и океанами различна.

Континентальная земная кора занимает гораздо меньшую но имеет более сложное строение. Она содержит под осадочным слоем внешний гранитный и нижний базальтовый слои. В континентальной коре встречаются более давние породы, возраст которых почти два миллиарда лет.

Более тонкая, всего около пяти километров, и содержит два слоя: нижний базальтовый и верхний осадочный. Возраст океанических пород не превышает 150 миллионов лет. В этом слое может существовать жизнь.

Мантия и что мы о ней знаем

Под корой залегает слой, именуемый мантией. Граница между ею и корой довольно резко обозначена. Она названа слоем Мохоровича, и её можно обнаружить на глубине около сорока километров. Граница Мохоровича состоит в основном из базальтов и силикатов, находящихся в твёрдом состоянии. Исключение составляют некие «лавовые карманы», которые находятся в жидком виде.

Толщина мантии - почти три тысячи километров. Такие же слои обнаружены и на других планетах. На этой границе происходит чёткое возрастание сейсмических скоростей от 7,81 до 8,22 км/с. Мантию Земли подразделяют на верхнюю и нижнюю составляющие. Границей между данными геосферами служит слой Галицина, который находится на глубине около 670 км.

Как формировалось знание о мантии?

В начале 20-го века интенсивно обсуждалась граница Мохоровича. Некоторые исследователи считали, что именно там происходит метаморфический процесс, при котором формируются породы с высокой плотностью. Другие ученые объясняли резкое увеличение скорости движения сейсмических волн сменой содержания состава пород от относительно лёгких к более тяжёлым типам.

Сейчас эта точка зрения считается основной в понимании и методах исследования процессов, происходящих внутри планеты. Сама непосредственно недоступна для прямых исследований по причине глубокого залегания, и она не выходит на поверхность.

Поэтому основная информация получена геохимическими и геофизическими способами. В целом реконструкция через имеющиеся источники - весьма сложная задача.
Мантия, принимающая излучение из центра, разогрета от 800 градусов наверху до 2000 градусов около ядра. Предполагается, собственно, что вещество мантии пребывает в беспрерывном движении.

Чему равна плотность Земли в области мантии?

Плотность Земли в пределах мантии достигает порядка 5,9 г/см 3 . Давление растёт с увеличением глубины и может достигать 1,6 млн. атмосфер. В вопросе определения температуры в мантии мнения учёных не однозначны и достаточно противоречивы, 1500-10000 градусов Цельсия. Таковы сложившиеся мнения в учёных кругах.

Чем ближе к центру, тем горячее

В центре Земли размещено ядро. Его верхняя часть находится на глубине 2900 километров от поверхности (внешнее ядро) и составляет около 30% от общей массы планеты. Этот слой обладает свойствами тягучей жидкости и электропроводностью. Содержит в себе около 12% серы и 88% железа. На границе ядра и мантии резко возрастает плотность Земли и достигает порядка 9,5 г/см 3 . На глубине приблизительно 5100 км распознают его внутреннюю часть, радиус которой составляет около 1260 километров, а масса - 1,7% от общей массы планеты.

Давление в центре столь огромно, что железо и никель, которые должны быть жидкими, пребывают в твёрдом состоянии. По мнению научных исследований, центр Земли является местом со сверхэкстремальными условиями с давлением в 3,5 миллиона атмосфер и температурой выше 6000 градусов.

В связи с этим железоникелевый сплав не переходит в жидкое состояние, несмотря на то что температура плавления подобных металлов равна 1450-1500 градусов Цельсия. Из-за гигантского давления в центре масса и плотность Земли достаточно огромны. Один кубический дециметр вещества весит примерно двенадцать с половиной килограмм. Это уникальное и единственное место, где плотность планеты значительно выше, чем в любом другом её слое.

Раскрыть все механизмы взаимодействия внутри Земли было бы не только интересно, но и полезно. Нам бы стало понятно образование различных полезных ископаемых и их местонахождение. Возможно, полноценно стал бы понятен механизм возникновения землетрясений, что дало бы возможность точно их предупреждать. На сегодня они непредсказуемы и приносят много жертв и разрушений. Точные знания о конвекции потоков и их взаимодействии с литосферой, возможно, прольют свет на эту проблему. Поэтому будущим учёным предстоит долгая, интересная и полезная работа для всего человечества.