Меню

Агрегатное состояние слоев земли

Общие сведения о Земле, её внутреннем строении и агрегатном состоянии

В. А. Дедеев, П. К. Куликов: «Происхождение структур земной коры»

Общие сведения о Земле, её внутреннем строении и агрегатном состоянии

  • Общие сведения о Земле, её внутреннем строении и агрегатном состоянии
    Многие геологические процессы, непосредственно наблюдаемые на земной поверхности, имеют явное глубинное происхождение. Чтобы правильно понять их, нужно выяснить, чем сложена и как устроена Земля. Однако точных, однозначных сведений по этим вопросам ещё нет. О внутреннем строении Земли имеются лишь отдельные гипотетические умозаключения, достоверность которых пока не может полностью гарантироваться. Поэтому мы ограничимся предельно кратким изложением выводов геохимии .
  • Возраст Земли
    Возраст Земли (Магницкий, 1965; Ботт, 1974; Земля. 1974). Минимальные значения возраста Земли, определённее радиометрическими методами по древнейшим горным породам, составляют примерно 3.5 млрд. лет. Максимальные величины определяются несколькими разными способами. По соотношению изотопов урана в породах Земли получена цифра 6.0 млрд. лет, по соотношению изотопов рубидия и стронция, содержащихся в каменных метеоритах, — 4.45, по соотношению изотопов свинца в каменных метеоритах — 4.5, .
  • Происхождение Земли
    По современным данным (О. Ю. Шмидт, A. П. Виноградов, Г. В. Войткевич, В. Латимер, В. С. Сафронов, Э. В. Соботович, П. Гаррис, Д. Тозер, Э. Орован, К. Таркян, С. Кларк, Дж. Джекобе и др.) наша Галактика образовалась 8–15 млрд. лет назад. Астрономы доказывают, что звезды, подобные Солнцу, в Галактике возникали неоднократно на протяжении всей её истории. Они продолжают возникать и в настоящее время из холодных газопылевых межзвёздных облаков, когда плотность последних возрастает настолько, что .
  • Химический состав Земли
    Химический состав Земли (Ботт, 1974; Белоусов, 1975; Ушаков, 1974). Мантия и ядро, составляющие 99% объёма Земли, недоступны для непосредственного изучения. Породы, составляющие земную кору, не отвечают составу внутренних тел планеты, так как их плотность, даже по сравнению со средней плотностью Земли, слишком мала. Тем не менее общее представление о составе Земли благодаря исследованиям В. И. Вернадского, А. Е. Ферсмана и B. М. Гольдшмидта было сформировано уже в начале этого века. Наша .
  • Внутренне строение Земли
    Внутреннее строение Земли (Гутенберг, 1963; Сорохтин, 1974; Ушаков, 1974; Белоусов, 1975; Косыгин, 1983 и др.). Планета состоит из нескольких оболочек, отличающихся плотностью и химическим составом. Первоначально было открыто ядро Земли. Р. Д. Олдгем в 1906 г. обратил внимание на то, что продольные сейсмические волны (волны Р) пересекают Землю по диаметру и приходят в точку с эпицентральным расстоянием 180° позднее, чем можно было ожидать, считая вещество планеты однородным. Это он объяснил .
  • Ядро Земли
    Ядро Земли (Ботт, 1974; Сорохтин, 1974) внутренне не однородно. В нём, в интервале глубин 4980–5120 км, имеется переходная зона, характеризующаяся быстрым ростом скорости продольных волн. Эта зона отделяет внешнее ядро от внутреннего. Средний общий радиус ядра 3 470 км (рис. 1). Ядро несколько сплюснуто вдоль полярного диаметра.

Форма ядра — эллипсоид вращения, относительная сплюснутость ядра 1 /390, абсолютная — 9 км. Скорость продольных волн вблизи поверхности внешнего ядра 8.1, вблизи .

  • Мантия Земли
    Мантия Земли (Ботт, 1974; Белоусов, 1975; Сорохтин, 1974) подобно ядру внутренне неоднородна. Она расчленяется на три слоя: верхнюю мантию (от раздела М до глубин примерно 400 км), переходную зону или слой Голицына (глубины 400–1000 км) и нижнюю мантию (глубины 1000–2900 км). Мантия имеет ультраосновной состав, близкий к составу перидотитов и хондритов. Их преобладающими минералами являются пироксен и оливин. Поэтому вещество мантии Д. Грин и А. Рингвуд ещё в 1967 г. назвали условно «пиролитом» .
  • Физическое (агрегатное) состояние вещества мантии
    На длительные механические воздействия вещество мантии реагирует как вязкая жидкость. На это указывают расслоенность вещества планеты по плотности, изостатическая уравновешенность земной коры, наличие крупных горизонтальных перемещений, геометрическая форма планеты — геоид и др. К длительно действующим механическим нагрузкам отношение вещества мантии достаточно своеобразное. Это связано с явлением, известным под названием «ползучесть». Сущность его состоит в том, что .
  • Земная кора
    Под этим названием в настоящее время понимается верхняя твёрдая оболочка Земли, расположенная выше сейсмической границы М. Граница М отмечается повсеместно и везде проявляется чрезвычайно резко. На этой границе скорости сейсмических волн скачкообразно возрастают от 7.6–7.7 до 8.1–8.4 км/с (продольные волны) и от 3.7–4.1 до 4.4–4.7 км/с (поперечные волны), что соответствует такому же скачкообразному росту плотности пород. В нижних горизонтах коры она составляет 2.9–3.0, в верхних горизонтах .
  • Магнитное поле Земли
    Магнитное поле Земли (Ботт, 1974; Земля. 1974; Стейси, 1972). Земля имеет собственное магнитное поле. Форма поля близка к той, которую создал бы намагниченный стержень (магнитный диполь), помещённый внутрь Земли близко к оси её вращения. Диполь наклонён относительно оси вращения примерно на 11.5° и отстоит от центра ядра на 436 км, вследствие чего магнитные полюса Земли не совпадают с географическими. Но внутри Земли нет большого постоянного магнита: внутреннее вещество планеты не может .
  • Фигура и гравитационное поле Земли
    То, что Земля должна быть сплюснута вдоль полярной оси и иметь форму эллипсоида вращения, впервые предсказал И. Ньютон. Это предположение было подтверждено в 30-х годах XVIII в. специально созданными экспедициями французских геодезистов. Сплюснутость Земли обусловлена вращением планеты вокруг собственной оси и пластичностью слагающего её вещества. Если бы вещество планеты было жидкостью с однородной плотностью и находилось бы в состоянии гидростатического равновесия, то под .
  • Тепловой режим Земли и конвекционные течения в её недрах
    Тепловые процессы, протекающие внутри Земли, пока ещё очень слабо изучены. По существу, эта проблема изучается сейчас лишь в части теплового потока, идущего из недр сквозь земную кору. Все другие стороны проблемы остаются в области предположений. Тепловой поток определяется как произведение геотермического градиента на коэффициент теплопроводности горных пород (Ботт, 1974; Любимова, 1978 и др.). Геотермический градиент в среднем составляет 30 °С на 1 км разреза, его экстремальные .
  • Читайте также:  Проклятые земли копье или топор

    Источник

    Агрегатное состояние слоев земли

    Агрегатное состояние вещества и химический состав геосфер

    Изучение химического состава Земли и ее внутреннего строения представляет весьма трудную задачу. Если о структуре недр планеты можно судить по распространению сейсмических волн, то определение химического состава Земли требует прямого изучения образцов вещества различных геосфер. В настоящее время прямому исследованию доступны лишь породы земной коры до глубины 15–20 км, а также излившиеся на поверхность продукты вулканических извержений. и зучение состава внутренних геосфер невозможно без учета термодинамических условий (высоких температур и давления) и их влияния на свойства вещества. С учетом этих условий в геологии господствуют две точки зрения в вопросе о составе внутренних оболочек Земли. Первая была высказана точка зрения о гетерогенном составе внутренних геосфер. Вещество верхней мантии представлено ультраосновными породами, а ядро имеет железоникелевый состав. п озже была высказана идея об однородном строении Земли. Сторонники этой точки зрения полагают, что у всех геосфер планеты имеется силикатный состав. Резкая смена физических свойств на границах геосфер связывается с фазовыми переходами вещества, которое при высоких давлениях и температурах может приобретать свойства жидкостей и металлов.

    Земная кора. Вещество земной коры, которая сложена различными горными породами, находится в твердом состоянии, так как температура здесь не достигает точки плавления (рис. 7). Однако на глубинах 15–20 км внутри земной коры сейсмологи отмечают участки (напоминающие астеносферный слой), с которыми, вероятно, и связано формирование магматических очагов гранитной магмы.

    Мантия Земли . Эта геосфера является самым крупным элементом планеты. Она занимает 83% ее объема и составляет около 66% ее массы. По геофизическим данным в ее составе выделяется несколько границ раздела, залегающих на глубинах 410, 950 и 2700 км. Вещество мантии находится в твердом кристаллическом состоянии, через него проходят как продольные, так и поперечные волны. И только в слое В выделяются слои с пониженными скоростями сейсмических волн, ( астеносфера ), в которой вещество может быть в аморфном стекловидном или даже в расплавленном (до 10%) состоянии.

    Геофизические данные последних лет указывают на неоднородность и расслоенность астеносферы и наличие очагов магмы, которые возникают на различных уровнях астеносферного слоя.

    С остав мантии сложный и неоднородный в различных слоях. Прямые, но неполные данные имеются лишь о составе слоя В, он распространен до глубин 400 км. К этим данным относятся: 1) отдельные выходы на поверхность континентов ультраосновных магматических пород, главным образом перидотитов; 2) наличие включений ультраосновных пород в базальтовых лавах вулканов; 3) состав пород, собранных путем драгирования в океанских зонах разломов; 4) состав пород, слагающих алмазоносные кимберлитовые трубки на континентах; 5) состав каменных метеоритов (рис. 11). Важное значение имеют экспериментальные исследования минералов и горных пород при высоких температурах и давлениях. Основываясь на всех этих данных, большинство исследователей считают, что верхняя мантия состоит из ультраосновных магматических пород – перидотитов. Их главными минералами являются оливин, пироксены и гранаты. Гранатовые перидотиты – главные породы слоя В верхней мантии. Их свойства соответствуют основным геофизическим показателям: плотности, скорости распространения сейсмических волн, которые отмечаются ниже границы Мохоровичича. Особенно важное значение имеют данные по кимберлитовым алмазоносным трубкам, где, помимо гранатового перидотита, имеются включения эклогитов. По составу эклогит близок к основной глубинной магматической породе габбро, но характеризуется высокой плотностью (3,35 – 4,2 г/см 3 ) и скоростью распространения сейсмических волн. Такое уплотнение основных пород возможно только при больших давлениях, которые наблюдаются на глубине 40 км и более. По современным данным, алмазоносные эклогиты и алмазосодержащие гранатовые перидотиты попали в кимберлитовые трубки с глубин не менее 150 и даже 200 км.

    В слое С верхней мантии (слой Голицына) – области наиболее быстрого нарастания скорости сейсмических волн и давления – происходят фазовые превращения вещества. Это доказывается и экспериментальными данными. Так, обычный кварц с плотностью 2,53 г/см 3 при больших давлениях переходит в более плотную модификацию – стишовит с плотностью 4,25 г/см 3 . Уплотнение и изменение структуры может произойти и с железисто-магнезиальными силикатами. Предполагается, что с увеличением глубины в слое С и в нижней мантии возможен распад всех железисто-магнезиальных силикатов на простые окислы, характеризующиеся плотнейшей упаковкой. В качестве примера можно привести распад магнезиального минерала форстерита:

    Mg 2 [ SiO 4 ] → 2 MgO + SiO 2 .

    форстерит периклаз стишовит

    Таким образом, при распаде силикатов на окислы могут образовываться М g О (периклаз), А l 2 O 3 (корунд), Fе 2 О 3 (гематит), ТiO 2 (рутил), SiO 2 (стишовит) и др.

    Читайте также:  Весь мир знает юрия гагарина как первого космонавта земли

    Несколько иное объяснение дает В.А.Магницкий (1965). Он предполагает, что в слое С и нижней мантии происходит переход от преобладающего ионного типа связей к ковалентным связям. Для примера берется тот же форстерит Мg 2 [SiО 4 ]. При переходе в ковалентную связь ионные радиусы Мg 2+ (0,074 нм) увеличивается до 0,14 нм, а О 2– (0,136 нм) уменьшается до 0,055 нм. В этом случае расстояние Мg – О изменяется от 0,21 до 0,195 нм, что приводит к увеличению плотности до 18%.

    Ядро . Центральная геосфера Земли, занимает около 17% ее объема и составляет 34% ее массы. Ядро состоит из большого, жидкого внешнего ядра, через которое не проходят поперечные сейсмические волны, и малого твердого внутреннего (рис.12), что четко выделяется по сейсмическим данным. Ядро Земли имеет большую плотность и высокую металлическую электропроводность. Исходя из этого уже давно была высказана мысль, что ядро состоит из железа с примесью никеля. При этом проводилась аналогия с железными метеоритами. Таким образом, резкая граница между мантией и ядром объясняется изменением состава вещества. Однако экспериментальные исследования показали, что при давлении, существующем у границ ядра, плотность железа очень большая. Она намного превышает расчетные величины средней плотности Земли. По современным данным плотность земного ядра на 10% ниже плотности железоникелевого сплава при температурах и давлениях, которые имеются в ядре. На основании этого высказывается предположение, что кроме никелистого железа в ядре должны быть какие-то легкие элементы, к которым могут быть отнесены кремний или сера. В настоящее время многие исследователи склоняются к тому, что ядро состоит в основном из железа с примесью никеля и серы. Не исключается возможность присутствия и других элементов (или кислорода, или кремния). Вместе с тем существуют и другие точки зрения о составе и состоянии вещества внешнего ядра Земли. Так, предполагается, что внешнее ядро состоит (наиболее вероятно) из окисла железа (FеО), которое испытывает не только плавление, но и фазовый переход в более плотную металлическую фазу. Такие фазовые переходы при давлениях 1×1011 Па были установлены для окислов экспериментальным путем (Л.Ф. Верещагин и др.). При этом наблюдалась внезапная перестройка атомов в новую структуру высокой плотности и большой энергии связи между атомами.

    Х имический состав Земли. При определении химического состава нашей планеты большое значение имеют исследования химического состава пород л уны и метеоритов, падающих на Землю. Эти данные можно использовать только при предположении о близости химического состава исходного вещества планет группы.

    Метеориты подразделяются на три группы: железные , железо-каменные и каменные . Убедительным свидетельством близости химического состава планет являются данные изучений образцов лунного грунта, доставленных космическими аппаратами «Луна–16», «Апполон–11» и «Апполон–12». Согласно этим данным, горные породы лунных морей представлены базальтами, близкими по составу к базальтам земной коры, лунные горы сложены анортозитами, аналогичными земным. Найдены на л уне и ультраосновные породы, аналогичные пироксенитам и перидотитам.

    Источник

    Агрегатное состояние вещества внутри земли

    В связи со всем изложенным возникает вопрос: в каком же агрегатном состоянии находятся внутренние части Земли? В твердом, жидком или газообразном?

    Последняя версия, т.е. представление о газообразном состоянии вещества внутри Земли, должна быть сразу же отклонена. Чтобы превратить в газ минералы, слагающие Землю, нужна более высокая температура, чем та, которая допустима, судя по изложенным выше данным.

    Но в жидком состоянии породы могут оказаться. Известно, например, что кислые породы плавятся при 1000° – 1200°, основные – при 1300° – 1500° (а в некоторых случаях и ниже). Это значит, что уже на глубине 100 – 130 км породы должны бы расплавиться. Но существующее на этих глубинах давление повышает температуру плавления И вопрос сводится, следовательно, к тому, какое влияние окажется большим: высокой температуры или высокого давления?

    Обратимся снова к помощи сейсмических наблюдений. Поскольку как продольные, так и поперечные волны свободно проходят через все оболочки Земли, заключенные между дневной поверхностью и границей ядра, значит всюду здесь вещество ведет себя так, как если бы оно было твердым. С таким выводом согласуются данные астрономии, согласно которым твердость Земли в целом близка (если не превышает) к твердости стали. По вычислениям В.Ф. Бончковского, твердость Земли равна примерно 12·10 11 дин на квадратный сантиметр (т.е. более миллиона миллионов дин на 1 см), что в 4 раза больше твердости гранита.

    Таким образом, все оболочки 3емли, кроме ее ядра, должны считаться находящимися в твердом состоянии. Жидкое состояние материи можно допустить лишь для совершенно незначительных участков в толще земной коры или в астеносфере, с которыми непосредственно связаны вулканы, а также некоторые иные проявления деятельности магмы. Подобные участки, надо полагать, приурочены к тем местам земной коры, в пределах которых происходят интенсивные складкообразовательные движения и которые отлагаются мощным сиалическим слоем, содержащим значительные количества радиоактивных элементов и благодаря этому разогревающимся относительно быстрее.

    Как же согласовать вывод о твердости Земли с многочисленными фактами, указывающими на наличие движений в толще Земли, т.е. так называемых тектонических движений?

    Читайте также:  Как называется наше время в истории земли

    Вся геологическая история есть история движений земной коры, движений крайне разнообразных по форме проявления, по ориентировке, по масштабу, но движений постоянных, повсеместных и порою чрезвычайно интенсивных. Движения в верхних частях коры нельзя понять без допущения активности более глубоких горизонтов коры, а те в свою очередь требуют признания подвижности еще более глубоких частей субстрата, подстилающего кору. Действительно, тектонические движения захватывают толщу Земли на многие сотни километров вглубь, и одним из доказательств этого служат глубокофокусные землетрясения, т. е. землетрясения с очагами, лежащими на глубинах в сотни километров.

    Одной из отличительных черт тектонических движений является их крайне малая скорость, порядка нескольких миллиметров или, реже, сантиметров в год. Правда, геология располагает такими запасами времени, что даже самые скромные по своему темпу движения успевают произвести грандиозный эффект.

    Другим свойством тектонических движений является их дифференцированность, т.е. пестрота в смысле знака, направления, скорости. Именно эта дробность движений, разнообразие, различия в каждом данном пункте приводят к чрезвычайному усложнению геологического строения. Любая геологическая карта складчатой области отражает подобную «диффеpенцированность» тектонических движений.

    Следовательно, приходится признать, что вещество наружных оболочек способно к перемещениям, притом повсеместным и крайне дифференцированным, по вместе с тем оно находится в твердом состоянии; и противоречия в том нет.

    Твердость, даже твердость тел кристаллического строения, отнюдь не исключает способности к деформациям. Кристаллы способны к деформациям без разрыва, к изгибам, измятиям, и все это в твердом состоянии, без изменения и нарушения своей кристаллической природы, формы кристаллической решетки, даже ориентировки элементов этой решетки. В этом состоит сущность пластических деформаций.

    Лабораторные исследования, а также наблюдения в поле показывают, что природа не знает здесь преград, и как самые прочные, так и самые хрупкие кристаллы, такие, скажем, как кварц, не говоря уже о мягких, податливых минералах, дают яркие примеры пластических деформаций. Можно лишь повторить, что очень многие если не все, кристаллы (тем самым и минералы, а следовательно, и горные породы) потенциально пластичны, т.е. обладают в большей или меньшей степени способностью к пластическим деформациям, и степень этой способности зависит не только от внутренних, присущих данному веществу свойств, но и от внешних условий.

    Высокое давление и высокая температура благоприятствуют развитию пластических деформаций. Многие кристаллы становятся пластичными только в условиях всестороннего давления, превышающего по своей величине прочность этих кристаллов; таков, например, кварц. Притом давление, именно всестороннее, близкое к гидростатическому давление достаточной интенсивности, играет ведущую роль, более существенную, чем температура.

    Способность к деформациям может быть обусловлена не только пластичностью. Порода, состоящая из бесконечного количества отдельных минеральных зерен, получает дополнительные возможности к деформации вследствие перемещения зерен одного относительно другого. Кроме того, некоторая комбинация высокого давления и высокой температуры способствует, по-видимому, превращению кристаллических тел в аморфные, и тогда появляется возможность течь наподобие того, как текут жидкости, без каких-либо ограничений в смысле направления.

    В целом, можно считать несомненным, что породы, находящиеся на большой глубине, от 15 – 20 км и глубже, оставаясь твердыми, получают возможность проявить свои пластические свойства в гораздо большей степени, чем на поверхности. В связи с этим мы можем несколько уточнить наши представления в отношении физических свойств вещества глубоких оболочек.

    Тектонические движения представляют собой пример, как мы видели, движений очень медленных, движений длинного периода. Удары землетрясений, распространяющиеся по толще Земли с огромной скоростью и быстро затухающие, наоборот, дают пример движений резких и кратковременных, движенийкороткого периода. На воздействия короткого периода недра Земли реагируют как твердое тело; на воздействия длинного периода – как жидкое. Это можно пояснить таким примером: если бросить льдину на пол или ударить по ней молотком, то она расколется, ибо лед хрупок. Но хрупкость эта не мешает тому же льду в форме ледника, спускающегося с гор, спокойно и безостановочно течь, следуя всем изгибам долины, со скоростью до 2 – 3-х и более метров в сутки. В этом сказывается, между прочим, относительность наших понятий «твердое» и «жидкое».

    Остается рассмотреть вопрос о ядре. Здесь обстановка иная. Каковы бы ни были гипотезы о плотности вещества в ядре, о температуре, давлении и т.п., один факт остается неизменным: поперечные сейсмические волны через ядро – по крайней мере через его внешнюю часть – не проходят. У нас нет пока иного объяснения этому факту кроме того, что вещество ядра ведет себя как жидкое – жидкое как по отношению к воздействиям длинного периода, так и короткого: ведь только жидкости не пропускают через себя поперечные сейсмические волны. Внутреннее же, или центральное, ядро, вероятно, твердое Однако такой ответ, подтвержденный специальными исследованиями во время последнего Международного геофизического года, нельзя считать окончательным. Во-первых, не исключена возможность того, что со временем будут обнаружены какие-то признаки прохождения поперечных волн сквозь ядро, а во-вторых, следует искать и иные объяснения: условия в ядре настолько отличаются от знакомых нам условий, что течение механических процессов в ядре может идти совершенно иначе, по новым, пока нам неизвестным путям. Лучше всего этот вопрос считать пока открытым.

    Источник

    Adblock
    detector