Ковалёв С.Г. (и др.) Общая геология с основами гидрогеологии и гидрологии

Подождите немного. Документ загружается.

§6. Внутреннее строение Земли

Специалисты в области общей геологии обычно имеют дело с процесса-

ми, не поддающимися прямому наблюдению потому, что либо эти процессы

происходили очень давно и протекают очень медленно, либо они приурочены

к глубинам, недоступным для непосредственного наблюдения. Большую

часть наших знаний о составе земных недр мы получаем при изучении грави-

тационного поля Земли и распространения в ней сейсмических волн. Сила

тяжести дает сведения о распределении масс, которые при использовании их

совместно с данными сейсмологии позволяют наложить ограничивающие

условия на распределение плотности. Скорости сейсмических волн дают до-

полнительные сведения об упругих параметрах, из которых можно получить

некоторые данные о вероятном составе земных недр.

Мантия. Понятие о мантии возникло в связи с открытием ядра Земли,

чему наука обязана знаменитым геофизикам Г.Джеффрису и Б.Гутенбер-

гу, работавшим в начале XX века. С того времени вся область Земли, ле-

жащая над ядром и ограниченная сверху подошвой земной коры – по-

верхностью Мохоровичича, именуется мантией.

В 1904 году Ч.Р.Ван-Хайз ввел понятие астеносфера, а в 1914 году

Дж.Барелл этим термином обозначил слой пониженной вязкости, твердо-

сти и прочности, расположенный в верхней части мантии. В дальнейшем

представление об астеносфере усложнилось, и сейчас о сплошном и еди-

ном астеносферном слое говорить уже не приходится.

Крупный вклад в изучение мантии внесли работы Б.Б.Голицина, фак-

тически положившего начало сейсмическому изучению внутреннего

строения Земли. На глубине 400 км им был установлен интенсивный рост

скоростей сейсмических волн. Впоследствии интервал глубин 400–900 км

получил название слоя Голицина. Но в настоящее время, если и использу-

ется это название, то для интервала глубин 400–670 км.

Фундаментальное значение имело выявление в 1936 году И.Леманом

внутреннего (твердого) и внешнего (жидкого) ядра Земли, ставшее осно-

вой всех последующих исследований земных глубин.

В середине XX столетия был выделен рубеж – 670 км, который стал

рассматриваться в качестве раздела верхней и нижней мантии; с ним свя-

зывается резкое изменение не только геофизических свойств мантии, но и

вещественных характеристик. В итоге утвердилось пятичленное строение

Земли: внутреннее ядро, внешнее ядро, нижняя мантия, верхняя мантия и

земная кора. Такая схема стала базисной для всех последующих работ, в

том числе и современных (рис. 6).

Для познания глубинного строения Земли весьма важное значение

имели труды К.Е.Буллена. Свои работы в этой области он начал еще в

1940 г., но основные обобщения вошли в книги, изданные в 1963 и 1975

годах. В предложенной им схеме строения Земли, основанной на сейсми-

ческих и плотностных данных, выделено семь зон:

А – земная кора;

В – зона в интервале глубин 33–413 км;

С – зона 413–984 км;

D – зона 984–2898 км;

E –2898–4982 км;

F – 4982–5121 км;

G – 5121–6371 (центр Земли).

В дальнейшем К.Е.Буллен зону D разделил на зоны D

′ (984–2700) и D′′

(2700–2900). В настоящее время эта схема видоизменена и лишь слой D

′′

прочно вошел в литературу. Его главная характеристика – резкое умень-

шение градиента сейсмических скоростей по сравнению с вышележащей

областью мантии.

Рис. 6. Современные модели внутреннего строения Земли: а – традиционная

модель; б – модель, основанная на анализе сейсмотомографических карт и

данных о сейсмических границах ( стр. тип – структурный тип; Pv – перовс-

кит; Ilm – ильменит; HS – высокоспиновое состояние; LS – низкоспиновое

состояние; по Пущаровскому, 1999)

В работах последнего периода глубинный интервал 410–670 км прохо-

дит под тремя названиями: слой Голицина, средняя мантия, переходная

зона (между верхней и нижней мантией). Поскольку терминология недос-

таточно устоялась, главными составными единицами мантии продолжают

оставаться верхняя (30–670 км) и нижняя (670–2900 км) мантии.

Состав мантии неоднороден. К числу косвенных данных, подтвер-

ждающих это относятся:

– выходы на земную поверхность в пределах некоторых континентов

ультраосновных горных пород, главным образом перидотитов;

– наличие включений ультраосновных пород в базальтовых лавах вул-

канитов;

– состав горных пород ультраосновного состава, собранных в ре-

зультате драгирования в областях океанических разломов;

– состав пород, слагающих каменные метеориты;

– состав пород, слагающих алмазоносные кимберлитовые трубки.

Исходя из косвенных данных, а также экспериментальных исследо-

ваний было принято, что верхняя мантия состоит в основном из ультраос-

новных пород – перидотитов, в которых главными минералами являются

оливин, пироксен и гранаты.

Рассмотрим более детально строение мантии. Непосредственно ниже

границы Мохо располагается высокоскоростной твердый слой верхней

мантии, распространяющийся до различных глубин под океанами и кон-

тинентами, который совместно с земной корой называют литосферой,

которая будет детально охарактеризована ниже. Ниже литосферы отмеча-

ется слой, в котором наблюдается некоторое уменьшение скорости рас-

пространения сейсмических волн, особенно поперечных. Последнее сви-

детельствует о существовании вещества в своеобразном состоянии. Этот

слой менее вязкий и более пластичный, чем выше- и нижележащие слои,

назван астеносферой (от греч. «астенос» – слабый), или волноводом.

Снижение скоростей сейсмических волн вызвано, скорее всего, нараста-

нием температуры, что приводит к его частичному плавлению. Возможно,

вследствие этого образуются жидкие пленки вокруг твердых зерен горной

породы, а иногда капли, в результате чего уменьшается вязкость вещест-

ва. Глубина залегания астеносферного слоя, имеющего мощность 250 км,

под океанами располагается на глубинах 50–60 км, а под континентами –

80–100 км. В последние годы установлено, что астеносферный слой под

рифтами срединно-океанических хребтов находится на глубинах всего 2–

3 км. Следует подчеркнуть, что как показали исследования, под щитами

(Балтийский, Украинский, Канадский и др.) до глубин в 200–250 км не

обнаружено присутствие астеносферного слоя. Он, скорее всего, в этих

частях земного шара располагается на значительных глубинах. Ряд иссле-

дователей считают, что в отдельных местах астеносферный слой опуска-

ется до глубин 300–400 км, т. е. до основания слоя «В» верхней мантии.

Учитывая высокую эндогенную активность литосферы и верхней мантии,

введено обобщающее понятие тектоносфера. Она объединяет земную

кору и верхнюю мантию до глубин около 700 км.

Относительно более глубоких слоев мантии, в частности «С» и «D»,

существует следующее мнение. Считается, что с ростом давления и тем-

ператур происходит переход вещества в более плотные модификации. На

глубинах более 400 (500) км оливин и другие минералы приобретают бо-

лее плотную упаковку ионов в кристаллической решетке (рис. 6). В слое

«С» верхней мантии («слой Голицына») фиксируется нарастание скоро-

стей сейсмических волн и давления, что обусловлено фазовыми превра-

щениями вещества. Например, обычный кварц с четверной координацией

под большим давлением переходит в минеральную форм SiO

– стишовит,

которая обладает шестерной координацией (т. е. каждый ион кремния ок-

ружен не четырьмя, а шестью анионами кислорода). При этом значитель-

но возрастает плотность вещества. Такие же изменения с существенным

повышением плотности происходят и с другими силикатами. Предполага-

ется, что с увеличением глубины в слое «С» в нижней мантии возможен

распад всех железисто-магнезиальных силикатов на простые оксиды

(Аl

– корунд, МgО – периклаз, Fе

– гематит), каждый из которых

характеризуется более плотной упаковкой.

Ядро. Вопросы о составе и физической природе ядра Земли до сих пор

являются дискуссионными и далеки от разрешения. Опираясь на геофизи-

ческие данные по прохождению сейсмических волн ядро подразделяют на

две части: внешнее ядро – жидкое и внутреннее – твердое. Для ядра ха-

рактерны большая плотность и высокая металлическая электропровод-

ность. Длительное время, по аналогии с железными метеоритами счита-

лось, что ядро сложено никелистым железом. Однако это не полностью

согласовывалось с экспериментальными данными о плотности внутри-

ядерного вещества и с расчетами вещественного состава, сделанными на

основании скоростей прохождения сейсмических волн. По современным

представлениям, при существующих в ядре давлениях и температурах

плотность его на 10% ниже, чем у железоникелевого сплава. Высказыва-

ется мнение о том, что в ядре, помимо никелистого железа, должны при-

сутствовать и более легкие элементы, в частности такие, как кремний или

сера. Поэтому многие исследователи считают, что ядро Земли состоит из

железа с примесью никеля, серы и возможным присутствием кремния или

кислорода.

Средний химический состав Земли. Для определения химического

состава Земли и ее оболочек используют данные о метеоритах, представ-

ляющих собой наиболее вероятные образцы протопланетного материала,

из которого сформировались планеты земной группы и астероиды. К на-

стоящему времени хорошо изучено вещество многих упавших на земную

поверхность в разное время метеоритов. По составу среди них выделяют

три типа: железные, состоящие главным образом из никелистого железа

(90% Fе) с небольшой примесью кобальта и фосфора; железокаменные

(сидеролиты), состоящие из железа и силикатов; каменные или аэролиты,

состоящие главным образом из железисто-магнезиальных силикатов и

включений никелистого железа.

Таблица 1

Средний химический состав Земли по Г.В.Войткевичу (мас., %)

Элементы по В.Рамамурти и

Р.Холлу, 1970

по Р.Ганапати и

Э.Андерсу, 1974

по Дж.Смиту,

1979

О 30,75 28,50 31,30

Nа 0,30 0,158 0,085

Мg 15,70 19,21 13,7

Аl 1,29 1,77 1,83

Si 14,73 14,34 15,10

Р - 0,215 0,18

S 4,65 1,84 2,91

К - 0,017 0,013

Са 1,54 1,93 2,28

Ti - 0,10 0,093

Сr - 0,478 0,416

Мn - 0,059 0,047

Fе 29,30 35,87 31,70

Ni 1,65 2,04 1,72

Наибольшее распространение имеют каменные метеориты (около 65%

всех находок), железные и железокаменные. Каменные метеориты под-

разделяют на две группы: 1) хондриты с мелкими округлыми зернами –

хондрами (90%); 2) ахондриты, не содержащие хондр. Состав каменных

метеоритов близок к ультраосновным магматическим породам. По дан-

ным М.Ботта, в них около 12% железоникелевой фазы.

На основании анализа состава различных метеоритов, а также сведе-

ний, полученных в результате геохимических экспериментов, геофизиче-

ских данных и термодинамических расчетов, ряд исследователей предло-

жили оценку валового элементного состава Земли, которая представлена в

таблице 1, из которой следует, что высокое содержание характерно только

для четырех важнейших элементов – О, Fе, Al, Мg, в сумме составляющих

91%. В группу менее распространенных элементов входят Ni, S, Са, Аl.

Остальные элементы имеют второстепенное значение.

Часть II

Геосферы Земли

Понятии «геосфера» было введено Д.Мерреем в 1910 году. Оно, как и

многие другие фундаментальные понятия в науках о Земле, многократно

использовалось в трудах В.И.Вернадского, который писал, что геологиче-

ские оболочки и геосферы обладают резко различным материально-

энергетическим состоянием вещества, но не разъединены, так как между

ними идет материальный обмен, и подчеркивал, что не все они сплошные.

Вообще, понятие «геосфера» с определенностью прикладывалось им к

оболочкам ионосферы и биосферы, в которой он различал три геосферы:

тропосферу, гидросферу и земную сушу. Что касается глубин планеты, то

в этом случае Вернадский предпочитал понятие «оболочка» (осадочная,

гранитная, метаморфическая).

В настоящее время и в составе твердой Земли вполне возможно и це-

лесообразно выделять макрооболочки, характеризующиеся физико-хими-

ческой и геологической спецификой, и называть их геосферами.

Глава 1

АТМОСФЕРА

§7. Общая характеристика атмосферы

Атмосфера – это газовая оболочка, окружающая Землю. Масса атмо-

сферы составляет около 5,15

×10

тонн. Атмосфера обеспечивает возмож-

ность жизни на Земле и оказывает влияние на все процессы, которые на

ней происходят. Для атмосферы характерна чётко выраженная слои-

стость, определяемая особенностями вертикального распределения тем-

пературы и плотности составляющих её газов (рис. 7).

Тропосфера – это приземная нижняя часть атмосферы, в которой со-

средоточено более 80% ее массы. Мощность тропосферы определяется

интенсивностью вертикальных потоков воздуха, вызванных нагреванием

земной поверхности. Вследствие этого на экваторе она простирается до

высоты 16–18 км, в средних широтах – до 10–11 км, а на полюсах – до 8

км. Отмечено закономерное понижение температуры воздуха с высотой в

среднем на 0,6°С на каждые 100 м.

В тропосфере находится большая часть космической и антропогенной

пыли, водяного пара, азота, кислорода и инертных газов. Она практически

прозрачна для проходящей через нее коротковолновой солнечной радиа-

ции. Вместе с тем содержащиеся в ней пары воды, озон и углекислый газ

достаточно сильно поглощают тепловое излучение нашей планеты, в ре-

зультате чего происходит некоторое нагревание тропосферы. Это приво-

дит к вертикальному перемещению потоков воздуха, конденсации водя-

ного пара, образованию облаков и выпадению осадков.

Рис. 7. Вертикальная зональность атмосферы

Стратосфера располагается выше тропосферы до высоты 50–55 км.

Температура у ее верхней границы растет в связи с наличием озона.

Мезосфера – верхняя граница этого слоя фиксируется на высотах око-

ло 80 км. Главная ее особенность – резкое понижение температуры (до

минус 75°–90°С) у верхней границы. Здесь наблюдаются так называемые

серебристые облака, состоящие из ледяных кристаллов.

Ионосфера (термосфера) простирается до высоты 800 км. Для нее ха-

рактерно значительное повышение температуры (более 1000°С). Под дейст-

вием ультрафиолетового излучения Солнца газы находятся в ионизирован-

ном состоянии, с чем связано возникновение полярного сияния, как свечения

газов. Ионосфера обладает способностью многократного отражения радио-

волн, что обеспечивает дальнюю радиосвязь на Земле.

Экзосфера распространяется от высоты 800 км до высот 2000–3000 км.

В этом диапазоне высот температуры повышаются до 2000

°С. Весьма

важным является тот факт, что скорость движения газов в экзосфере при-

ближается к критическому значению – 11,2 км/с. В составе преобладают

атомы водорода и гелия, которые формируют вокруг нашей планеты так

называемую корону, простирающуюся до высот 20 тыс. км.

Основными газовыми компонентами атмосферы являются азот и кисло-

род, а также аргон, углекислый газ, неон и другие газы (табл. 2).

Таблица 2

Химический состав сухого атмосферного воздуха

Компоненты Концентрация, в % по объёму

Азот 78,084

Кислород 20,9476

Аргон 0,934

Углекислый газ 0,0314

Неон 0,001818

Гелий 0,000524

Метан 0,0002

Криптон 0,000114

Водород 0,00005

Закись азота 0,00005

Ксенон 0,0000087

Двуокись серы от 0 до 0,0001

Озон:

летом от 0 до 0,000007

зимой от 0 до 0,000002

Двуокись азота от 0 до 0,000002

Аммиак Следы

Окись углерода Следы

Иод Следы

Состав атмосферы не является постоянным по высоте и изменяется в

довольно широких пределах. Основные причины этого: сила земного при-

тяжения, диффузионное перемешивание, действие космических, солнеч-

ных лучей и испускаемых ими частиц высоких энергий. В общем, очень

осредненном виде механическая смесь газов атмосферы представлена азо-

том – 78% объма, кислородом – 21%, гелием, аргоном, криптоном и дру-

гими компонентами – около 1%.

Средняя молекулярная масса такого воздуха составляет 28,96 и остает-

ся почти без изменения вплоть до высоты 90 км. На больших высотах мо-

лекулярная масса резко уменьшается, и на высоте около 500 км и выше

гелий становится основным компонентом атмосферы.

Как уже отмечалось выше, важнейшими компонентами воздуха (99%

от всего состава) являются двухатомные газы – кислород (О

) и азот (N

Кислород существует в атмосфере в виде аллотропных модификаций –

и О

(озон). Во всех состояниях (газообразном, жидком и твердом) ки-

слород парамагнитен и имеет очень высокую энергию диссоциации – 496

кДж/моль. Кислород химически очень активен. Он образует соединения

со всеми элементами, кроме гелия и неона.

Азот N

– бесцветный, химически неактивный газ. Энергия диссоциа-

ции у азота почти в 2 раза больше, чем у кислорода и составляет 944,7

кДж/моль. Высокая прочность связи N=N обуславливает его низкую реак-

ционную способность. Однако несмотря на это, азот образует множество

различных соединений, в том числе и с кислородом.

Наиболее важная переменная составляющая атмосферы – водяной пар.

Изменение его концентрации колеблется в широких пределах: от 3% у зем-

ной поверхности на экваторе, до 0,2% в полярных широтах. Основная масса

его сосредоточена в тропосфере, а содержание определяется соотношением

процессов испарения, конденсации и горизонтального переноса.

Практически единственным источником энергии для всех физических

процессов, развивающихся в атмосфере, является солнечное излучение,

пропускаемое «окнами прозрачности». Главная особенность радиационного

режима атмосферы, так называемый парниковый эффект, состоит в том, что

ею почти не поглощается излучение в оптическом диапазоне спектра

(большая часть излучения достигает земной поверхности и нагревает её) и

не пропускается в обратном направлении инфракрасное (тепловое) излуче-

ние Земли, что значительно снижает теплоотдачу планеты и повышает её

температуру. Часть падающего на атмосферу солнечного излучения погло-

щается (главным образом водяным паром, углекислым газом, озоном и аэ-

розолями), другая часть рассеивается газовыми молекулами (чем объясня-

ется голубой цвет неба), пылинками и флуктуациями плотности. Рассеянное

излучение суммируется с прямым солнечным светом и, достигнув поверх-

ности Земли, частично отражается от неё, частично поглощается. Доля от-

ражённой радиации зависит от отражательной способности подстилающей

поверхности (альбедо). Радиация, поглощённая земной поверхностью, пе-

рерабатывается в инфракрасное излучение, направленное в атмосферу. В

свою очередь, атмосфера является также источником длинноволнового из-

лучения, направленного к поверхности Земли (так называемое противо-

излучение атмосферы) и в мировое пространство (так называемое уходящее

излучение). Разность между коротковолновым излучением, поглощённым

земной поверхностью, и эффективным излучением атмосферы называется

радиационным балансом.

Преобразование энергии излучения Солнца после её поглощения зем-

ной поверхностью и атмосферой составляет тепловой баланс Земли. По-

тери тепла из атмосферы в мировое пространство намного превосходят

энергию, приносимую поглощённой радиацией, однако дефицит воспол-

няется его притоком за счёт механического теплообмена (турбуленции) и

теплотой конденсации водяного пара. Величина последней численно рав-

на затратам тепла на испарение с поверхности Земли.

Конденсация и сублимация водяного пара – это процессы, которые яв-

ляются источником атмосферных осадков. Одним из наиболее явных про-

явлений конденсации водяного пара в атмосфере является образование

облаков, которые обычно находятся на высотах от нескольких десятков и

сотен метров до нескольких километров.

Атмосферные осадки – это вода во всех видах твердой и жидкой фазы,

которую получает земная поверхность в виде дождя, снега, града или

сконденсировавшейся на поверхности различных тел росы. В целом атмо-

сферные осадки являются одним из важнейших абиотических факторов,

существенно влияющих на условия существования живых организмов.

Кроме того, атмосферные осадки определяют миграцию и расространение

различных, в том числе и загрязняющих веществ в окружающей среде. В

общем круговороте влаги наиболее подвижны именно атмосферные осад-

ки, так как объем влаги в атмосфере оборачивается 40 раз в год.

§8. Геологическая работа ветра

Под геологической работой ветра понимается изменение поверхности

земли под влиянием движущихся воздушных струй. Ветер может разру-

шать горные породы, переносить мелкий обломочный материал, отлагать

его в определенных местах или на поверхности земли ровным слоем. Чем

больше скорость ветра, тем сильнее производимая им работа. Ветер со

скоростью 3 м/с может шевелить листья деревьев; со скоростью 10 м/с –

качать толстые ветви, поднимать и переносить во взвешенном состоянии

пыль и мелкий песок; ветер со скоростью 20 м/с ломает ветви деревьев,

переносит песок, гравий до 4 мм в диаметре; буря со скоростью ветра 30

м/с может срывать крыши с домов, вырывать деревья, передвигать и пере-

носить мелкие камешки; ураган со скоростью ветра 40 м/сек уже способен