ЭКОЛОГО-ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
"ЭКОМОНИТОРИНГ"
СРЕДНЕУРАЛЬСКАЯ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ЭКСПЕДИЦИЯ
|
620014
г.Екатеринбург ул.Вайнера, 55 (Уралнедра), каб. 513 |
тел. 257-20-06, 219-39-08 факс 257-20-06 |
|
|
|
геологИЯ ДЛЯ ЧАЙНИКОВ Практическая
деятельность человека и потребности в использовании природных ресурсов
привели к возникновению, а в дальнейшем к широкому развитию геологических
знаний. Геология
- наука о Земле, о ее составе, строении и развитии, о процессах, протекающих
на ней, в ее воздушной, водной и каменной оболочках. Атмосфера
- воздушная оболочка, состоящая в основном из азота и кислорода с небольшим
количеством водяных паров, углекислого газа и некоторых редких благородных
газов, особенно аргона. Гидросфера
- водная оболочка, включающая в себя природные воды. Сюда относятся воды
океанов, морей, озер и рек, покрывающие свыше 70% поверхности Земли, а также
подземные воды, насыщающие горные породы. Литосфера
- каменная оболочка, представляющая твердую, наружную оболочку Земли.
Литосфера построена из горных пород, таких, например, как гранит, базальт,
песчаник или известняк. Горные
породы - это сложные природные тела, состоящие из сочетания более простых,
химически и физически, тел - минералов. К минералам относятся, например,
такие, как кварц, полевой шпат и слюда, образующие горную породу гранит; или
кальцит, составляющий основу таких горных пород, как известняк и мрамор.
Минералы в свою очередь состоят из сочетания отдельных химических элементов.
Минералы - это «природные физически и химически индивидуализированные тела,
возникающие в земной коре в результате физико-химических процессов без
какого-либо специального вмешательства человека в эти процессы» (Н. А.
Смолянинов). Биосфера
- эта оболочка Земли, в пределах которой развита органическая жизнь. Эта
оболочка жизни как бы пронизывает атмосферу, гидросферу и верхнюю часть
литосферы и является заметным фактором разнообразных превращений и изменений,
протекающих в поверхностных частях Земли. Живые организмы разрушают и
видоизменяют ранее созданные горные породы и минералы, в результате чего
возникают новые соединения, новые минералы; кроме того, они сами поставляют
материал для накопления органических пород, таких, как известняки, трепел,
мел, каменный уголь и др. В.И.
Вернадским было предложено выделять еще одну оболочку - ноосферу - ту часть
земного шара, на которую распространяется активное и все усиливающееся
воздействие человека, становящегося одним из весьма заметных факторов
геологического значения. Взаимопроникновение,
взаимодействие перечисленных выше оболочек в значительной мере обусловливает
ход сложных процессов, протекающих на поверхности Земли. Основным
объектом изучения геологии является литосфера. Чтобы познать строение
литосферы, сущность совершающихся в ней процессов и историю ее развития,
нужно изучать ее с разных сторон. Можно выделить несколько основных
направлений, на которые расчленяется геология: 1)
науки, изучающие вещественный состав Земли (кристаллография, минералогия,
петрография, геохимия); 2)
науки, изучающие процессы, протекающие в Земле (динамическая геология:
тектоника); 3)
науки, изучающие историю Земли (историческая геология); 4)
науки, направленные непосредственно на практическое использование недр Земли.
Рис. 1.1
Упрощенная схема геологических наук История
геологии показывает, что на всех этапах развития человеческого общества
требования к геологии и уровень ее развития были различными. Люди каменного
века использовали минералы: вода, лед, нефрит, жадеит, серпентин, красный
железняк (краска), кварц и горный хрусталь, кальцит, янтарь (по Болдареву А.К., 1944 г.). Наиболее продвинуты в
минералогии и геологии были Шумеры и Вавилоняне, которые знали и использовали
более 26 минералов. В настоящее время известно более 2000 минералов. Большая
часть их используется для тех или иных целей. Геология
- древняя наука. Широко известны работы древнегреческих мыслителей - Гераклита, Аристотеля и др. Гераклит, живший
приблизительно в 530-470 г.г. до н.э., утверждал, что мир вечен, непрерывно
изменяется, и в нем процессы разрушения периодически сменяются процессами
созидания, а Аристотель (384-322 г.г. до н.э.) обратил внимание на
окаменелости как на остатки исчезнувших организмов. Плиний
Старший (23-79 г.г.) написал около 73 книг, в значительной части которых он
раскрыл начала «европейской истории» Земли. В этой области знаний он выступал
как последователь Аристотеля в учениях о стихиях и путях происхождения в
земных недрах минералов, металлов и драгоценных камней. Крупным
мыслителем эпохи Возрождения был выдающийся итальянский художник Леонардо да
Винчи (1452-1519 г.г.). Он первый сказал, что горы образуются не сразу, а
постепенно, и утверждал, что Земля существует длительное время. Георгиус
Агрикола (1494-1555 г.г.), современник Леонардо да
Винчи и Микеланджело, в своих 12 книгах о рождении металла описал способы
добычи и переработки полезных ископаемых. С
именем великого русского ученого Ломоносова М.В. (1711-1765 г.г.) связана
новая эпоха в развитии геологических знаний: он известен не только как
геолог, но и как химик, физик, литератор и лингвист. Он является одним из
основоположников геологии. В своих трудах - «О слоях земных», «Первые основания металлургии
рудных тел», «Слово о рождении металлов от трясения Земли» - он высказал ряд
важных идей о механизме внутренних и внешних геологических процессов Земли, о
том, что внутренние и внешние процессы находятся в постоянном взаимодействии.
Главную роль в преобразовании земной коры он отводил внутренним процессам. Он
писал, что горы образуются под влиянием движений земной коры, вулканизма, а
слоистые и осадочные породы возникают в воде. Причину возникновения минералов
и руд в земной коре он видел в подземном пожаре. Здесь Михаил Васильевич
выступал как основоположник идеи плутонизма. Из
зарубежных ученых с конца XVIII и до начала XIX веков широко известны имена Уильяма Смита (1769-1839
г.г., Англия) и Жоржа Кювье (Франция), Джеймса Чейтона
(1726-1798 г.г., Шотландия) и Чарльза Лайеля (1797-1875 г.г., Англия), Абрама
Вернера (1749-1817 г.г.). У. Смит и Ж. Кювье явились создателями
палеонтологического метода в геологии - метода определения относительного
возраста горных пород по органическим остаткам. Шотландец
Джеймс Чейтон сформулировал важнейший вывод о
происхождении гранитов и базальтов из расплавленного вещества в результате
извержения вулканов. Он поддержал теорию плутонизма. Согласно ей внутреннее
тепло Земли является причиной образования гор. Он предположил цикличность
геологических процессов на Земле и считал, что изучение настоящего является
ключом к познанию прошлого. Чарльз
Лайель развил положение, высказанное еще М.В. Ломоносовым и Д. Геттоном, о том, что познание прошлых геологических
событий возможно через анализ современных процессов. Этот метод получил
название принципа актуализма. Из зарубежных ученых XIX
- XX веков следует в первую очередь отметить работы
Эдварда Ога (Франция), развившего учение о наиболее
подвижных зонах земной коры - геосинклиналях; Зюсса
Э. (Австрия), разработавшего схему строения и развития земной коры; Вернера А.
(Германия), создавшего учение о дрейфе континентов по расплавленному
основанию, и многих других. Абрам Вернер - крупнейший немецкий геолог конца XVIII - начала XIX вв. Он
привел множество известных минералов в систему, открыл 8 новых минералов.
Причину образования Земли и минералов видел в деятельности воды. Отсюда его
идеи о геологических процессах получили название нептунизма. Аманд Грессли (1814-1865 г.г.) - швейцарский геолог, создавший
учение о фациях, современники говорили о нем как о специалисте, способном
«разглядеть невидимое». Эдуард
Зюсс (1831-1914 г.г.) - великий австрийский геолог,
ставший впервые в истории президентом Австрийской Академии Наук. Он первый
положил начало региональной тектоники. Немецкий
ученый Альфред Вегенер (1880-1930), будучи по
профессии метеорологом, гляциологом и полярным исследователем, приложил
немало усилий в обоснование гипотезы дрейфа континентов, которая была забыта
и получила подтверждение благодаря палеомагнитным исследованиям. Большой
вклад в становление основных положений геологии внесли русские и советские
ученые, работы которых определяют целый этап в развитии геологической науки.
Этот этап начался со второй половины XIX в. и
продолжается по наши дни. Сюда следует отнести работы В.М. Севергина по
минералогии, Е.С. Федорова, Н.Н. Кошкарова по
кристаллографии и др. Геолог Е.С. Федоров (1853-1919 г.г.) разработал основы
современного структурного анализа кристаллов. Во
второй половине XIX столетия в России возникла
научная школа А.П. Карпинского, достигшая расцвета в начале XX в. Так, А.П. Карпинский (1847-1936 г.г.) первым из
ученых составил палеографические карты Европейской части России, основал
Русскую Геологическую школу, под его руководством была разработана
международная терминология для геологических карт. Геолог-почвовед В.В.
Докучаев (1846-1903 г.г.) заложил основы эволюционного учения о почвах и
установил главнейшие законы почвообразования. К
началу XX в. относится возникновение науки
геохимии. В ее становлении приняли участие В.И. Вернадский, А.Е. Ферсман в
России, Ф. Кларк в Америке и В.М. Гольдшмидт в
Норвегии. В XX в. в дальнейшее развитие
геологической науки внесли свой вклад советские ученые. Среди них следует
отметить труды А.Д. Архангельского, В.И. Вернадского, И.М. Губкина, А.Е.
Ферсмана, В.А. Обручева, Д.В. Наливкина, Н.М. Страхова и многих других. 1. Планета Земля 1.1 Сведения о Вселенной, Солнечной системе, планетах,
Земле Вселенной
считается все, что находится вокруг нас. Граница видимого (с помощью
приборов) мира отстоит от земли на 12 млрд. световых лет. Возраст
вселенной составляет около 15 млрд. лет. Она возникла в сингулярном состоянии
(бесконечно большая температура и бесконечно большая плотность). По теории
большого взрыва, разработанной учеными Фридманом (1922) и Хабблом (1929), 15
млрд. лет назад произошел взрыв, после которого вещество стало «разбегаться».
Скорость «разбегания» вычисляется по формуле: v = RH, где
R - расстояние в мегапарсеках (Mпс),
Н ~ 100 км/с*Mпс - постоянная Хаббла. Вселенная
состоит из ¾ водорода и ¼ - из гелия. Средняя плотность
вселенной составляет сейчас 10-29 г/см3,
т.е. фактически она пустая. Если
время существования вселенной принять за 24 часа, то ее историю можно
представить так: 0
ч 0 мин. 4 с - начало нуклеосинтеза; 0
ч 0 мин. 5 с - появление галактик и звезд; 18
ч - образование Солнечной системы; 20
ч - возникновение жизни на Земле; 22
ч 30 мин - появление позвоночных; доли
секунд - появление человекоподобных. Солнечная
система входит в небольшую галактику Млечного пути (одну из 150 млрд.),
имеющую форму спирали. В галактику Млечного пути входит 120-150 млрд. звезд,
из них видимы около 60 тыс. Солнце в два раза меньше средней по размерам
звезды галактики. Солнечная
система - это система небесных тел, которая состоит из звезды Солнце и
движущихся вокруг него девяти больших планет с их спутниками, а также
бесчисленного множества малых планет, комет и метеорных тел. В состав
Солнечной системы входит также какое-то количество газа, имеющегося в
межпланетном пространстве и за пределами планетной системы (облако Оорта и т.п.). Теперь в составе Солнечной системы есть
также искусственные объекты, которые вращаются вокруг Луны, Земли, других
планет или непосредственно вокруг Солнца. Расстояние от Земли до Солнца
составляет 150 млн. км и равно 1 астрономической единице (а.е.).
Расстояние от Солнца до самой далекой планеты солнечной системы Плутона
составляет 40 а.е. В
солнечную систему входит 9 планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер,
Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Плутон вместе со своим спутником Хороном по размерам меньше Луны и пересекает орбиту
Нептуна, что позволяет считать его бывшим спутником Нептуна. Между Марсом и
Юпитером проходит пояс астероидов, являющийся основным источником метеоритов. Планеты
земной группы (первые четыре) отличаются от планет солнечной по плотности,
превышающей 5 г/см3. Планеты солнечной
группы по плотности близки к солнцу (1,4 г/см3).
Солнце и все планеты (кроме Венеры) вращаются с запада на восток. Из общего
строя выделяется Уран, орбита которого наклонена к плоскости вращения планет
почти под углом 90º. Солнце составляет 99,8%
массы солнечной системы, 0,1% - Юпитер. По
современным представлениям Солнечная система образовалась 4,7-4,6 млрд. лет
назад после вспышки некой звезды, вызвавшей закручивание находящейся
неподалеку газо-пылевой туманности. Сначала образовались сгустки вещества - планетезимали, потом шла их акреция
(слипание). При достижении определенного объема и плотности Солнца началась
термоядерная реакция. Массы Юпитера оказалось недостаточно для термоядерной
реакции. Процесс образования солнечной системы продолжался всего 100 млн.
лет. Солнце
- плазменный шар диаметром 21,39×106 км. Плотность солнца составляет 1,45
г/см3. Температура на поверхности Солнца
составляет около 5500ºК. Солнце окружено тремя
оболочками - фотосферой, хромосферой и солнечной короной. Температура
фотосферы составляет 6000ºК. Внутри солнечного
ядра температура составляет миллионы градусов. Солнце
излучает в секунду энергию, равную 1026 кал. Источник этой энергии - нуклеосинтез (98% массы Солнце - водород и гелий). Солнце
будет светить в том же режиме еще 5 млрд. лет. Потом количество водорода
значительно уменьшится, звезда превратится в гелиевое ядро - красного
гиганта. При этом размеры солнца достигнут теперешней орбиты Земли.
Планетарные системы значительно удалятся. Атмосфера Солнца будет теряться,
ядро - сжиматься, и красный гигант станет белым карликом (очень интенсивное
свечение). Планеты
земной группы и Плутон состоят из твердого ядра и газовой атмосферы (не у
всех). Все планеты солнечной системы вращаются вокруг своей оси с запада на
восток вокруг Солнца. Плутон по плотности близок к Земле, по размерам -
меньше Луны. Юпитер больше Земли по своим размерам в 11 раз. Юпитер, Сатурн,
Уран, Нептун состоят в основном из водорода и гелия. Наиболее близкая к Земле
по многим физическим параметрам планета Марс. На Марсе есть атмосфера, есть
вода, наблюдается смена времен года (за счет вымерзания CO2). Метеориты
- небесные тела, падающие на Землю, метеоры - сгорают, не долетев до Земли.
На Землю ежедневно падает несколько сотен тонн космической пыли. Средний
химический состав метеоритов близок к составу Земли. Метеориты - источники информации о химическом составе мантии и
ядра Земли, так как являются либо протовеществом,
из которого создавались планеты, либо частями распавшихся планетарных тел.
Кроме того, метеориты несут сведения о составе пород Луны, Марса. Ранее
на Землю падали огромные метеориты, оставляя глубокие раны и кольцевые
структуры. Сейчас на Земле существует около 100 подобных форм рельефа,
например, Попегайский грабен на Таймыре (его
диаметр составляет около 200 км). Между
Марсом и Юпитером находится пояс астероидов. Первые астероиды были открыты в
начале прошлого века, теперь их насчитывают 2474. Количество мелких тел
(менее 1 км в диаметре) неисчислимо велико. 14 астероидов имеют размер более
250 км. 90% вращается между Марсом и Юпитером, остальные имеют сложные
орбиты. Некоторые подходят к солнцу ближе Меркурия. Вокруг
Солнца находятся две концентрических сферических окружности: внутренняя
граница солнечной системы - пояс Койпера (40-50 а.е.) и внешняя - облака Оорта
(приблизительно 20000 а.е. и более). Первый объект
пояса Койпера диаметром около 280 км был открыт в
1992 г. и получил обозначение 1992 QB1. К маю 2000
г. было открыто уже 270 транснептунных объектов.
Все они обращаются вокруг Солнца в прямом направлении (как большие планеты)
(рис. 1.1). По параметрам орбит их разделили на 3 класса: 1)
классические объекты пояса Койпера - почти круговые
орбиты лежат в области 40-50 а.е. от Солнца, а
плоскости орбит наклонены к эклиптике менее чем на 40º.
Эти объекты не испытывают сильного влияния больших планет; их орбиты остаются
практически неизменными; 2)
резонансные объекты пояса Койпера, или плутино (т.е. «плутончики») -
большие полуоси их орбит близки к 39.5 а.е., а
значит их орбитальный период, как и у Плутона (248 лет). Некоторые плутино пересекают орбиту Нептуна, но никогда не
сближаются с ним (как и сам Плутон); 3)
рассеянные (scattered) объекты, «бродяги», имеющие
весьма вытянутые орбиты (а.e. = 0,5-0,9) с большой
полуосью 60-100 а.е.; некоторые из них удаляются от
Солнца в афелии на 100-200 а.е., а объект 2000 CR105 - даже на 1300 а.е. В
облаке Оорта вращаются кометы вокруг солнечной
системы на расстоянии 20 тыс. а.е. со скоростью
порядка 1 км/с. Облако Оорта, двигаясь вместе с
солнечной системой вокруг центра Галактики, многократно сближается с другими
звездами, что вызывает возмущение в движении комет. Соударяясь, кометы
ускоряются, изменяют свою траекторию движения и посещают Солнечную систему.
Хорошо известна комета Галлея с периодом обращения вокруг солнца 86 лет. В
состав вещества комет входят метан, аммиак, углекислый газ, вода. При
вторжении в кислородсодержащую атмосферу Земли на большой скорости происходит
сильный разогрев тела кометы и создаются условия для образования
взрывоопасной смеси. С таким взрывом на высоте 7 км от поверхности Земли
связывают Тунгусскую катастрофу, ударная волна которой вывалила лес на
площади в 200 км2, а световая - ожоги
деревьев и пожар.
Рис. 1.1
Внешняя граница Солнечной системы (планеты менее Плутона и астероиды)
- пояс Койпера За
счет аккреции, химических и ядерных реакций Протоземля в начальный период существования была сильно разогрета
(хотя есть и другие мнения). Первичная Земля оказалось связана с Луной
приливными взаимодействиями. Луна в системе двойной звезды Земля - Луна по
объему была больше Протоземли. Луна своим воздействием
«раскрутила» Землю, определила наклон оси ее вращения своей орбитой и массой
и обусловила климатическую зональность Земли, возникновение электрического и
магнитного полей. По
расчетам B.C. Сафронова, разогрев первичных планет Солнечной системы протекал
достаточно быстро - за 100 млн. лет. В начальный этап Земля представляла
собой планету, в которой только начался процесс дифференциации вещества.
Около 4,5 млрд. лет назад молодая Земля представляла собой неуютную, холодную
планету, покрытую слоем космической пыли. Вещественный состав планеты был
почти однородным. Преобладали в составе Земли ультраосновные магматические
породы. Плотность вещества на поверхности была 3,9 г/см3,
а в центре планеты не выше 7 г/см3.
Появление процессов химико-плотностной дифференциации вещества Земли привело
к явлению конвекции первичного вещества, расслоению его по плотности на
геосферы, происхождению гидросферы и атмосферы. По современным представлениям
именно химико-плотностная дифференциация вещества Земли является основным
источником энергии и причиной эволюции планеты. В
целом формирование геосфер Земли объяснимо с позиций двух предположений: от
однородности состава первичной Земли и ее относительно меньшим исходном
тепловом запасе по сравнению с современным. По данной модели главным
двигателем эволюции Земли является процесс химико-плотностной дифференциации
вещества, который ведет к образованию плотного окисно-железного ядра,
силикатной оболочке мантии. Период в 1,5 млрд. лет от момента образования
Земли называется лунным. После
образования земного ядра, содержащего около 63% современной массы, дальнейший
рост Земли происходил уже более спокойно и равномерно по тектономагматическим
циклам. Таких циклов ученые-тектонисты насчитали около 14 за последние 3
млрд. лет. Значительная тектоническая активность на Земле наблюдалась около
2,6 млрд. лет назад. Поверхность Земли была окутана плотной углекисло-азотной
атмосферой с давлением до 4-5 атм. и температурой 30-100°С,
имеющей восстановительный состав. Возник первый неглубокий Мировой океан, дно
которого было покрыто базальтами и серпентинитом. Появление фазового перехода
воды пар - жидкость значительно изменило баланс газов в атмосфере в строну
увеличения её прозрачности. В
образовании природных ресурсов прослеживается периодичность, обусловленная
геологическими и геохимическими циклами. Самостоятельным циклом принято
считать галактический год продолжительностью 176 млн. лет. Если принять 176
млн. лет за один год, то Земля находится в молодом возрасте ~ 26 лет. Её
старость и смерть наступят после 60 лет. Каждому галактическому году
соответствует эпоха горообразования. Ю.П. Милановский
(1990) связал галактические годы Земли с периодичностью геологических и
геохимических циклов. За последние 570 млн. лет произошло 3 галактических
года и 24 цикла. Продолжительность каждого цикла 22 млн. лет. Получается, что
по крайней мере 24 раза в земной коре происходило накопление разнообразных
минералов, горючих сланцев, угля, нефти, газа, солей фосфоритов, меди,
марганца, полиметаллов. Распределены минеральные ресурсы крайне неравномерно
на материках и в океанах. Форма
и размеры Земли были впервые измерены Эратосфеном в 250 лет до н.э. Эратосфен
считал, что Земля - правильный шар. Он измерял длину теней в одно и то же
время в Сиенне и Александрии и, зная расстояние
между городами, путем несложных расчетов вычислил длину экватора (радиуса) с
очень небольшой ошибкой. То,
что Земля является не идеальным шаром, а эллипсоидом вращения с полярным
сжатием 1/298 радиуса (21 км) показал И. Ньютон в 1650 г. (рис. 1.3). В
последующем его расчеты подтвердились. Для запуска космических кораблей и
баллистических ракет необходима точная математическая модель Земли. Идеальная
модель, принятая в России, называется эллипсоидом Красовского. Разница в
величине радиусов полярного и экваториального достигает 21,382 км.
Экваториальный радиус составил 6378,245 км, а полярный радиус - 6356,863 км,
полярное сжатие - 1/298,25. Позднее
было выяснено, что существует небольшое экваториальное сжатие Земли (213 м).
Более точная модель Земли - геоид - имеет такую поверхность, что сила тяжести,
направленная перпендикулярно ей, нацелена на центр Земли (эквипотенциальная
поверхность). Такая поверхность совпадает с уровнем поверхности
невозмущенного океана. В
связи с расчленением рельефа (наличием высоких гор и глубоких впадин)
действительная форма Земли является более сложной, чем трехосный эллипсоид.
Наиболее высокая точка на Земле - гора Джомолунгма в Гималаях - достигает
высоты 8848 м. Наибольшая глубина 11 034 м обнаружена в Марианской впадине.
Таким образом, наибольшая амплитуда рельефа земной поверхности составляет
немногим менее 20 км. Учитывая эти особенности, немецкий физик Листинг в 1873
г. фигуру Земли назвал геоидом, что дословно обозначает «землеподобный».
Рис. 1.3
Эллипсоид вращения. Буквами обозначено расстояние от центра до
экватора - а, до полюса - в, С - север, Ю - юг, З -
запад, В - восток, стрелкой указано направление вращения Геоид
- некоторая воображаемая уровневая поверхность, которая определяется тем, что
направление силы тяжести к ней всюду перпендикулярно. Эта поверхность
совпадает с уровнем воды в Мировом океане, который мысленно проводится под
континентами. Это та поверхность, от которой производится отсчет высот
рельефа. Поверхность геоида приближается к поверхности трехосного эллипсоида,
отклоняясь от него местами на величину 100-150 м, повышаясь на материках и
понижаясь на океанах, что, по-видимому, связано с плотностными
неоднородностями масс в Земле и появляющимися из-за этого аномалиями силы
тяжести. Точная модель геоида необходима для расчетов траекторий полета
космических кораблей. Объем
Земли составляет 1,083·1012 км3,
а масса - 6·1027 г. Ускорение силы тяжести на полюсе 983 см/с2, на экваторе 978 см/с2.
Площадь поверхности Земли около 510 млн. км2,
из которых 70,8% представляет Мировой океан и 29,2% - суша. В распределении
океанов и материков наблюдается определенная асимметрия. В Северном полушарии
это соотношение составляет 61 и 39%, в Южном - 81 и 19%. Внутреннее
строение Земли изучается в основном косвенными методами, главным образом геофизическими.
Наиболее распространенный геофизический метод - сейсмический (по прохождению
объемных сейсмических волн от землетрясений, взрывов). Существует
первичные (v = 2-10 км/с) - продольные волны (P) сжатия-растяжения (изменение объема). Они первые
приходят на приемник и могут за 29 сек. пройти сквозь Земной шар. Вторичные
или поперечные волны (S) характеризуются модулем
сдвига (изменение формы), приходят позже. В жидкостях модуль сдвига равен
нулю, вторичные волны там не распространяются. Силы,
возвращающие вещество в изначальное положение после прохождения волн, - силы
растяжения. В зависимости от скорости прохождения сейсмических волн выделяют
следующие слои (границы слоев называются границами первого рода): Земная
кора, толщиной от 3-5 км под океанами до 30-80 км под материками. Земная кора
- это часть верхней мантии, в которой мантийное вещество остыло и, перейдя в
кристаллическое состояние, превратилось в горную породу, образует литосферу.
Литосфера по составу и строению неоднородна в горизонтальном и вертикальном
направлениях (рис. 1.4). Вертикальная
неоднородность определятся тем, что литосфера объединяет в себе земную кору и
один из верхних слоев мантийного вещества, находящегося в кристаллическом
состоянии. Горизонтальная неоднородность обусловлена наличием глубоководных
впадин, базальтового ложа океана и нагромождением литосферных
плит на континентах. На
глубине около 54 км югославский сейсмолог А. Мохоровичич,
изучая зависимости времени пробега сейсмических волн от эпицентра до
сейсмических станций, записанные во время землетрясения 8 октября 1909 г.,
обнаружил резкое возрастание скорости сейсмических волн.
Рис. 1.4
Схема строения Земли (табл. 1.1) Нижняя
граница земной коры называется поверхностью Мохоровичича
(Мохо). За ней начинается верхняя мантия, первый
слой которой называется астеносфера. Астеносфера состоит из вязкого, частично
расправленного вещества. Нижняя граница астеносферы называется разделом
Голицына. Астеносфера и земная кора составляют вместе литосферу. Самые
глубокофокусные землетрясения происходят на глубине до 700 км. Эта часть
Земли является тектонически активной (относительно
поверхности) - тектоносфера. Средняя
плотность Земли составляет 5,52 г/см3,
средняя плотность горных пород - 2,65 г/см3,
средняя плотность внутреннего ядра - 13 г/см3.
Ядро составляет 17% объема Земли. Физические параметры Земли в зависимости от
скоростей прохождения продольных и поперечных сейсмических волн даны в
таблице 1.1. Таблица 1.1 Строение земной коры
1.5 Температура и давление внутри Земли Основной
источник энергии на Земле - это Солнце (табл. 1.2). Солнце прогревает Землю
до глубины 30 м. Далее начинается слой постоянных температур (в Москве - 4,5°С). Постоянные температуры поддерживаются за счет
внутренней энергии Земли (продукты радиоактивного распада). Потом температура
начинает расти с разной скоростью в зависимости от геологического строения.
Средняя скорость - 30°С/км. С глубиной градиент уменьшается (табл. 1.3). Величина, обратная
термическому градиенту, называется геотермическая ступень. Она показывает,
через сколько метров температура меняется на 1°С. Средняя геотермическая ступень равняется 33 м/°С. Таблица 1.2 Энерговыделение (F, эрг/год) на поверхности Земли
Таблица 1.3 Температура в глубинах Земли (по Горшкову, Якушевой,
1973)
Температурные
градиенты существенно изменяются для разных мест и нелинейно возрастают с
глубиной. Это можно видеть на примере изменения температуры с глубиной по
Кольской скважине, расположенной в пределах устойчивого кристаллического щита
платформы. При заложении этой скважины рассчитывали на геотермический
градиент 10º на 1 км и, следовательно, на
проектной глубине (15 км) ожидали температуру порядка 150ºС.
Однако такой градиент был только до глубины 3 км, а далее он стал
увеличиваться в 1,5-2,0 раза. На глубине 7 км температура была 120ºС, на 10 км - 180ºС,
на 12 км - 220ºС. Предполагалось, что на
проектной глубине температура будет близка к 280ºС.
Вторым примером являются данные по скважине, заложенной в Северном Прикаспии, в районе более активного эндогенного режима. В
ней на глубине 500 м температура оказалась равной 42,2ºС,
на 1500 м - 69,9ºС, на 2000 м - 80,4ºС, на 3000 м - 108,3ºС. Вопрос
о распределении температур в мантии и ядре Земли еще не решен, и поэтому
высказываются различные представления и модели. Можно только предположить,
что температура с глубиной увеличивается при значительном уменьшении
геотермического градиента и увеличении геотермической ступени. Предполагают,
что температура в ядре Земли находится в пределах 4000-5000ºС. Прежде
всего вопрос о плотности. Еще в 1939 г. В.Н. Лодочников, крупный ученый,
петрограф Ленинградского горного института, высказал интересную мысль о том,
что плотность вещества, слагающего земной шар, увеличивается с глубиной под
воздействием веса вышележащих пород, оказывающих на нижележащие породы
давление в сотни тысяч и миллионы атмосфер, но не вследствие изменения
состава вещества (табл. 1.4). Таблица 1.4 Ускорение свободного падения и давление пород (по
Горшкову, Якушевой, 1973 г.)
Столь
высокие давление и температура создают достаточно специфичные условия для
существования вещества внутри Земли. Силикаты и окислы, входящие в состав
Земли, состоят из положительных ионов кремния, магния и железа и
отрицательных ионов кислорода. Ионные радиусы первых - около 0,8 Аº, радиус ионов кислорода - около 1,3 Аº. При повышении давления, т.е. при сжатии
кристаллической решетки, прежде всего должны перестраиваться атомы кислорода.
Происходит разрушение внешней электронной оболочки кислородных атомов, так
как именно этот процесс дает наиболее значительное уменьшение общего объема,
т.е. энергетически он «выгоднее» всего. Энергия сил отталкивания частиц у
металлов растет по мере сближения частиц гораздо медленнее, чем у ионных
кристаллов. Таким образом, путем перестройки внешних электронов кислородных
ионов осуществляется так называемый фазовый переход, т.е. переход всего
соединения в металлическую фазу. В качестве иллюстрации можно привести данные
относительно перехода в металлическую фазу минерала периклаза
MgO, который осуществляется при давлении около
4·1012 дин/см2 (около 4 млн. атм.) и сопровождается
скачком в плотности от 6,0 до 12,1 г/см3
(Магницкий, Давыдов, 1955). Имеются
и другие соображения, заставляющие сомневаться в правильности идеи о железном
ядре. Новейшие данные о среднем составе метеоритов показывают, что доля
железа в них по отношению ко всей массе вещества метеоритов составляет
приблизительно 25%, а между тем, чтобы заполнить железное ядро, эта доля
должна превышать 1/3. Таким образом, железа, содержащегося в метеоритах,
по-видимому, недостаточно для образования земного ядра того объема и массы. Затруднение
возникает и при попытке объяснить расслоение Земли и концентрацию железа в
ядре с помощью процесса гравитационной дифференциации. Допустим, что железа
достаточно. Но ему нужно каким-то путем собраться в центре Земли, стечь в
ядро. Каким же именно путем? Можно представить себе только один способ -
гравитационная дифференциация вещества, т.е. продвижение вниз тяжелых
включений железа среди общей массы каменистого вещества под влиянием силы
тяжести, которая с глубиной уменьшается. Вязкость оболочки известна - она
близка к 1022 пуаз. При такой вязкости, как показал советский геофизик С.Н. Люстих (1948), погружение тяжелых включений происходит
крайне медленно. Например, железное включение поперечником 1 м будет
опускаться со скоростью 5 см в 1 млрд. лет, т.е. будет практически
неподвижным. Если учесть, что сила тяжести к центру Земли падает до нуля и,
соответственно, вес вещества, то гипотеза гравитационной дифференциации
вещества не в состоянии объяснить наличие железистого ядра. Свыше
4000 лет назад человечество познакомилось со свойством природы, которое
заставляет магнитную стрелку занимать ориентированное положение север-юг. Но
прошло много времени, прежде чем в средние века английский ученый Уильям
Гильберт (1544-1603) в книге «О магните, магнитных телах и большом магните -
Земле», вышедшей в свет в 1600 г., сделал вывод, что Земля обладает магнитным
полем. Магнитность Земли (максимальное напряжение)
колеблется от 0,6-0,7 эрстед у магнитных полюсов до 0,25-0,42 эрстед у
экватора. Магнитное доле Земли продолжается в атмосфере, но сила его убывает
пропорционально расстоянию в кубе. Магнитное поле Земли имеет полюса:
северный и южный. Ученые установили, что северный магнитный полюс
располагается в настоящее время вблизи Южного географического полюса (Земля
Виктория в Антарктиде), а южный магнитный полюс - вблизи северного
географического полюса (Северная Гренландия). По
данным палеомагнитного метода установлено, что магнитное поле Земли меняет
свое положение через каждые 1200-1500 лет, т.е. северный магнитный полюс
становится южным, а южный - северным. Магнитные полюсы Земли и географические
полюсы не совпадают. Между магнитным полюсом и географическим присутствует
некоторый угол, равный около 11,5°, называемый
магнитным склонением. Ось магнитного диполя сейчас наклонена к оси вращения
Земли под углом 10,5°. На
Земле регистрируются три самые крупные магнитные аномалии: одна - между
Енисеем и Леной, вторая - в Антарктиде и третья - в Канаде. Магнитные
аномалии совершают полный оборот вокруг Земли, а само магнитное поле
(напряженность) Земли уменьшается приблизительно на 0,15% за 100 лет. Магнитное
поле Земли и окружающего пространства имеет важное значение в жизни планеты.
Магнитосфера вместе с радиационными поясами служит щитом от уничтожающего
действия корпускулярного излучения Солнца, межпланетного магнитного поля,
внешнего жесткого излучения Вселенной. Пространство, в котором проявляется
напряженность магнитного поля, называется магнитосферой (рис. 1.5). Со
стороны, обращенной к Солнцу, магнитосфера сжата межпланетным полем и
магнитным давлением солнечного ветра. Под действием солнечного ветра
магнитосфера приобретает резко асимметричную форму. Электрическое
поле Земли. Его сравнивают со сферическим конденсатором, отрицательный заряд
которого находится в верхних слоях Земли, а положительный - в верхних слоях
атмосферы. Нижние слои атмосферы выступают в качестве изолятора.
Напряженность электрического поля Земли изменяется от 130 В/м в средних широтах
до 70-80 В/м у полюсов. Оно непостоянно по времени года, в течение суток и
зависит от активности Солнца, различных атмосферных явлений, от изменения
магнитного поля Земли. Электрическое поле Земли, телурические
электрические токи также обязаны своим происхождением вращению оболочек Земли
и конвекционному перемещению внутреннего вещества Земли, т.е. Земля работает
как обычная динамомашина, в которой механическая
энергия перемешивающегося вещества системы накапливает возникающие
электрические токи и связанный с ними магнетизм. В литосфере выделяются
локальные электрические токи, вызванные движением подземных вод,
электрохимическими процессами.
Рис. 1.5 Магнитное
поле Земли (R - расстояние в радиусах Земли) Гидросфера
- это водная оболочка нашей Земли. Ее образуют воды, находящиеся в твердом,
жидком и газообразном состоянии. Масса
всей воды - 14,6·1023 г распределяется следующим образом: мировой океан -
13,7·1023 г; подземные воды - 0,66·1023 г; воды льдов - 0,23·1023 г; пресные
воды - 0,01·1023 г. Меньше всего на Земле пресной воды - 2%. Всего на Земле
воды (вместе с кристаллизационной) - 21,73·1023 г. Вода занимает почти 71%
площади Земного шара. Средняя глубина Мирового океана - 3800 м. Вода,
испаряясь с поверхности Земли, поступает в атмосферу, здесь она при
охлаждении и конденсации выпадает на земную поверхность в виде дождя и снега.
Ученые подсчитали, что за год с поверхности Мирового океана испаряется 448000
км3 воды. Значительная часть этой воды
(412000 км3) возвращается в виде дождей,
остальные 36000 км3 транспортируются
реками. В круговороте между земной поверхностью и тропосферой участвуют около
1,2·1012 г воды в сутки или 4,4·1014 г в год. Некоторое количество воды
поступает из глубоких недр Земли. Атмосфера
- это воздушная оболочка, окружающая нашу Землю. Мощность воздушной оболочки
превышает 1000 км. По химическому составу атмосфера подразделяется на четыре
области: азотно-кислородная, азотная, гелиевая и водородная. Нижняя -
азотно-кислородная, в ней содержится азота около 78% и кислорода до 21%
(кислорода в атмосфере содержится - 1,192·1021 г), около 1%
приходится на аргон и 0,03% - на углекислый газ. На высоте 70 км
располагается азотная область. С высоты 1000 км атмосфера состоит в основном
из гелия, а выше 2000 км - из водорода. Верхняя граница атмосферы условно
проводится на высоте 3000 км. Масса атмосферы составляет 5,15·1021
г. Среднее давление воздуха на уровне моря измеряется в 1013,2 мбар (760 мм р.ст.). Атмосферный
воздух содержит водяной пар. Если весь водяной пар перевести на воду, то
Земля покроется слоем воды, равным 25 мм. Водяной пар имеет важное значение
для теплообмена на поверхности Земли. Каждые 12 дней он обновляется. Водяной
пар конденсируется в облаках, которые поглощают около 18% излучения Солнца.
Водяной пар, углекислота и озон поглощают тепловое и инфракрасное излучения
земной поверхности. По характеру распределения температуры с высотой атмосферу
делят на ряд слоев: тропосферу стратосферу, мезосферу, термосферу (рис. 1.6).
Рис. 1.6
Схема строения атмосферы Земли Тропосфера
- оболочка, прилегающая к земной коре. В ней содержится 50-70% массы всей
атмосферы. На полюсах мощность ее в среднем 8 км, а на экваторе она достигает
20 км. В тропосфере сосредоточено почти 80% водяного пара, окружающего Землю.
Температура в тропосфере уменьшается к ее верхней границе - до -57°С, резко уменьшается и давление с 1013 мбар (760 мм р.ст.) на уровне моря до 150 мбар на высоте 20 км. Стратосфера
- располагается над тропосферой. Верхняя граница ее находится на высоте 50
км. Температура в этой оболочке снижается до -70°С.
В нижней ее части в интервале 20-40 км выделяется слой с повышенным
содержанием озона. Этому слою придается очень большое значение, так как он
поглощает коротковолновую солнечную радиацию. Мезосфера - слой, расположенный
над стратосферой. Верхняя граница его лежит на высоте 85 км. Температура
достигает -90°С, а давление - менее 1 мбара. Термосфера
- слой, лежащий над мезосферой, характеризующийся в интервале 85-800 км (100
км) резким увеличением температуры. На высоте 300 км температура достигает 700°С. Выше 800 км примерно до 2000 км располагается
следующая оболочка атмосферы - экзосфера, состоящая из легких газов и
элементарных частиц. Постепенно экзосфера переходит в космическое
пространство. При своем движении Земля теряет легкие газы, особенно водород. 1.9 Географическая оболочка Земли Понятие
о географической оболочке Земли вошло в обращение с 30-х г.г. XX столетия благодаря работам А.А. Григорьева, Р.И. Аболина, П.И. Браунова и
других. Под географической оболочкой подразумевают место обитания различных
представителей органического мира, защищенного от гибельных воздействий на
него внешней среды. Географическая оболочка развивается на фундаменте
литосферы (верхняя часть земной коры), граничащей с гидросферой и атмосферой.
В географической оболочке наиболее активно проявляются эндо- и экзогенные
геологические процессы, происходит взаимодействие компонентов гидросферы,
атмосферы, биосферы и литосферы. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
