Файл: Образовательная автономная некоммерческая организация высшего образования Московский открытый институт.pdf
Добавлен: 06.12.2023
Просмотров: 800
Скачиваний: 7
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
24
Ускорение силы тяжести. В ряде пунктов поверхности Земли геофизическим гравиметрическим методом выполнены измерения абсолютной величины силы тяжести с помощью гравиметров. Эти исследования позволяют выявить гравиметрические аномалии – области значительного увеличения или уменьшения силы тяжести. Увеличение силы тяжести обычно связано с присутствием более плотного вещества, уменьшение указывает на меньшую плотность. Что касается ускорения силы тяжести, то его величина различна. На поверхности оно в среднем составляет 982 см/с
2
(при 983 см/с
2
– на полюсе и 978 см/с
2
– на экваторе), с глубиной сначала увеличивается, затем быстро падает. По данным В. А.
Магницкого, максимальное значение ускорения силы тяжести достигает в основании нижней мантии у границы с внешним ядром 1037 см/с
2
. В пределах ядра Земли ускорение силы тяжести начинает значительно уменьшаться, доходя до 452 см/с
2
в промежуточном слое F, до 126 см/с
2
на глубине 6000 км и в центре – до 0.
Магнетизм. Земля действует как гигантский магнит с силовым полем вокруг. Сведения о распределении магнитного поля Земли на ее поверхности и околоземном пространстве дают наземные, морские и аэромагнитные съемки, а также измерения, производимые на низколетящих искусственных спутниках Земли.
Геомагнитное поле дипольное, магнитные полюсы Земли не совпадают с географическими, т. е. истинными – северным и южным.
Между магнитным и географическим полюсами образуется некоторый угол (около 11,5
o
), называемый магнитным склонением. Различают также магнитное наклонение, определяемое как угол между магнитными силовыми линиями и горизонтальной плоскостью. Происхождение постоянного магнитного поля Земли связывают с действием сложной системы электрических токов, возникающих при вращении Земли и сопровождающих турбулентную конвекцию (перемещение) в жидком внешнем ядре. Таким образом, Земля работает как динамомашина, в которой механическая энергия этой конвекционной системы генерирует электрические токи и связанный с ними магнетизм.
Магнитное поле Земли оказывает влияние и на ориентировку в горных породах ферромагнитных минералов, таких, как гематит, магнетит, титаномагнетит и др. Особенно это проявляется в магматических горных породах – базальтах, габбро, перидотитах и др.
Ферромагнитные минералы в процессе застывания магмы принимают ориентировку существующего в это время направления магнитного поля.
После того, когда горные породы полностью застывают, ориентировка ферромагнитных минералов сохраняется. Определенная ориентировка ферромагнитных минералов происходит и в осадочных породах во время осаждения железистых минеральных частиц. Намагниченность ориентированных образцов определяется как в лабораториях, так и в полевых условиях. В результате измерений устанавливается склонение и наклонение магнитного поля во время первоначального намагничивания
25 минералов горных пород. Таким образом, и магматические, и осадочные горные породы нередко обладают стабильной намагниченностью, указывающей на направление магнитного поля в момент их формирования. В настоящее время при геологических исследованиях и поиске железорудных месторождений полезных ископаемых широко применяется магнитометрический метод.
Тепловой режим Земли определяется излучением Солнца и теплом, выделяемым внутриземными источниками. Самое большое количество энергии Земля получает от Солнца, но значительная часть ее отражается обратно в мировое пространство. Количество получаемого и отраженного
Землей солнечного тепла неодинаково для различных широт.
Среднегодовая температура отдельных пунктов в каждом полушарии уменьшается от экватора к полюсам. Ниже поверхности Земли влияние солнечного тепла резко снижается, в результате чего на небольшой глубине располагается пояс постоянной температуры, равной среднегодовой температуре данной местности. Глубина расположения пояса постоянных температур в различных районах колеблется от 1 – 2 метров до 20 – 30 м.
Ниже пояса постоянных температур важное значение приобретает внутренняя тепловая энергия Земли. Давно установлено, что в шахтах, рудниках, буровых скважинах происходит постоянное увеличение температуры с глубиной, связанное с тепловым потоком из внутренних частей Земли. Тепловой поток измеряется в калориях на квадратный сантиметр за секунду – мккал/см
2.
с. По многочисленным данным, средняя величина теплового потока принимается равной 1,4 – 1,5 мккал/см
2.
с.
Однако исследования, проведенные как на континентах, так и в океанах, показали значительную изменчивость теплового потока в различных структурных зонах.
Каковы же источники тепла внутри Земли? Как известно, в соответствии с современными представлениями Земля сформировалась в результате аккреции газово-пылевых частиц протопланетного облака в виде холодного тела. Следовательно, внутри Земли должны иметься источники тепла, создающие современный тепловой поток и высокую температуру в недрах Земли. Одним из источников внутренней тепловой энергии является радиогенное тепло, связанное с распадом радиоактивных долгоживущих элементов
238
U,
235
U,
232
Th,
40
K,
87
Rb.
Периоды полураспада этих изотопов соизмеримы с возрастом Земли, поэтому до сих пор они остаются важным источником тепловой энергии.
В начальные этапы развития Земли могли быть поставщиками тепла и короткоживущие радиоактивные изотопы, такие, как
26
Al,
38
C1 и др.
Вторым источником тепловой энергии предполагается гравитационная дифференциация вещества, зарождающаяся после некоторого разогрева на уровне ядра и, возможно, в слое В верхней мантии. Но значительная часть тепла, связанная с гравитационной дифференциацией, по- видимому, рассеивалась в пространстве, особенно в начале
26 формирования планеты. Дополнительным источником внутреннего тепла может быть приливное трение, возникающее при замедлении вращения
Земли из-за приливного взаимодействия с Луной и в меньшей степени с
Солнцем.
Температура внутри Земли. Определение температуры в оболочках
Земли основывается на различных, часто косвенных данных. Наиболее достоверные температурные данные относятся к самой верхней части земной коры, вскрываемой шахтами и буровыми скважинами до максимальных глубин – 12 км (Кольская скважина). Нарастание температуры в градусах Цельсия на единицу глубины называют геотермическим градиентом, а глубину в метрах, на протяжении которой температура увеличивается на 1°С, – геотермической ступенью.
Средний химический состав Земли. Для суждения о химическом составе Земли привлекаются данные о метеоритах, представляющих собой наиболее вероятные образцы протопланетного материала, из которого сформировались планеты земной группы и астероиды. К настоящему времени хорошо изучено много выпавших на Землю в разные времена и в разных местах метеоритов. По составу выделяют три типа метеоритов:
железные, состоящие главным образом из никелистого железа
(90 – 91% Fe), с небольшой примесью фосфора и кобальта;
железокаменные (сидеролиты), состоящие из железа и силикатных минералов;
каменные, или аэролиты, состоящие главным образом из железисто-магнезиальных силикатов и включений никелистого железа.
Наибольшее распространение имеют каменные метеориты – около
92,7% всех находок, железокаменные 1,3% и железные 5,6%. Каменные метеориты подразделяют на две группы: а) Хондриты с мелкими округлыми зернами – хондрами (90%). б) Ахондриты, не содержащие хондр. Состав каменных метеоритов близок к ультраосновным магматическим породам. По данным М. Ботта, в них около 12% железоникелевой фазы.
27
1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 15
Тема 2. Строение земной коры
Вопрос 1. Строение земной коры.
В строении земной коры участвуют все типы горных пород – магматические, осадочные и метаморфические, залегающие выше границы Мохо. Как в пределах континентов, так и в пределах океанов выделяются подвижные пояса и относительно устойчивые площади земной коры. На континентах к устойчивым площадям относятся обширные равнинные пространства – платформы, в пределах которых располагаются наиболее устойчивые участки – щиты, представляющие собой выходы древних кристаллических горных пород. К подвижным поясам относятся молодые горные сооружения, такие, как Альпы, Кавказ,
Гималаи, Анды и др.
Материковые структуры не ограничиваются только континентами, в ряде случаев они протягиваются в океан, образуя так называемую подводную окраину материков, состоящую из шельфа, глубиной до 200 м, континентального склона с подножьем до глубин 2500 – 3000 м. В пределах океанов также выделяются стабильные области – океанские платформы – значительные площади ложа океана – обширные абиссальные (греч. «абиссос» – бездна) равнины глубиной 4 – 6 км, и подвижные пояса, к которым относятся срединно-океанские хребты и активные окраины Тихого океана с развитыми окраинными морями
(Охотское, Японское и др.), островными дугами (Курильские, Японские и др.) и глубоководными желобами (глубиной 8 – 10 км и более).
На первых этапах геофизических исследований выделялись два основных типа земной коры:
1) континентальный;
2) океанский, резко отличающиеся друг от друга строением и мощностью слагающих пород.
В последующем стали выделять два переходных типа:
1) субконтинентальный;
2) субокеанский.
Континентальный тип земной коры. Мощность континентальной земной коры изменяется от 35 – 40 (45) км в пределах платформ до 55 –
70 (75) км в молодых горных сооружениях. Континентальная кора продолжается и в подводные окраины материков. В области шельфа ее мощность уменьшается до 20 – 25 км, а на материковом склоне (на глубине около 2,0 – 2,5 км) выклинивается. Континентальная кора состоит из трех слоев. Первый – самый верхний слой представлен осадочными горными породами мощностью от 0 до 5 (10) км в пределах платформ, до 15 – 20 км в тектонических прогибах горных сооружений.
Скорость продольных сейсмических волн (Vp) меньше 5 км/с. Второй –
28 традиционно называемый «гранитный» слой на 50% сложен гранитами, на 40% – гнейсами и другими в разной степени метаморфизованными породами. Исходя из этих данных его часто называют гранитогнейсовым, или гранитометаморфическим. Его средняя мощность составляет 15 – 20 км (иногда в горных сооружениях до 20 – 25 км). Скорость сейсмических волн (Vp) – 5,5 – 6,0 (6,4) км/с. Третий, нижний слой называется
«базальтовым». По среднему химическому составу и скорости сейсмических волн этот слой близок к базальтам.
Однако высказывается предположение, что он сложен основными интрузивными породами типа габбро, а также метаморфическими породами амфиболитовой и гранулитовой фаций метаморфизма, не исключается наличие и ультраосновных пород. Правильнее называть этот слой гранулито-базитовым (базит – основная порода). Его мощность изменяется от 15 – 20 до 35 км. Скорость распространения волн (Vp) 6,5
– 6,7 (7,4) км/с. Граница между гранитометаморфическим и гранулито- базитовым слоями получила название сейсмического раздела Конрада.
Океанская кора. Длительное время океанская кора рассматривалась как двухслойная модель, состоящая из верхнего осадочного слоя и нижнего – «базальтового». В результате проведенных детальных сейсмических исследований, бурения многочисленных скважин и неоднократных драгирований (взятие образцов пород со дна океана драгами) было значительно уточнено строение океанской коры. По современным данным, океанская земная кора имеет трехслойное строение при мощности от 5 до 9(12) км, чаще 6 – 7 км. Некоторое увеличение мощности наблюдается под океанскими островами.
1. Верхний, первый слой океанской коры – осадочный, состоит преимущественно из различных осадков, находящихся в рыхлом состоянии. Его мощность от нескольких сот метров до 1 км. Скорость распространения сейсмических волн (Vp) в нем 2,0 – 2,5 км/с.
2. Второй океанский слой, располагающийся ниже, по данным бурения, сложен преимущественно базальтами с прослоями карбонатных и кремнистых пород. Мощность его от 1,0 – 1,5 до 2,5 – 3,0 км. Скорость распространения сейсмических волн (Vp) 3,5 – 4,5 (5) км/с.
3. Третий, нижний высокоскоростной океанский слой бурением еще не вскрыт. Но по данным драгирования, проводимого с исследовательских судов, он сложен основными магматическими породами типа габбро с подчиненными ультраосновными породами
(серпентинитами, пироксенитами). Его мощность по сейсмическим данным от 3,5 до 5,0 км. Скорость сейсмических волн (Vp) от 6,3 – 6,5 км/с, а местами увеличивается до 7,0 (7,4) км/с.
Субконтинентальный тип земной коры по строению аналогичен континентальному, но стал выделяться в связи с нечетко выраженной границей Конрада. Этот тип коры обычно связывают с островными дугами и окраинами материков. Изучение показало субгоризонтальную расслоенность земной коры и подстилающей части мантии, что
29 свидетельствует о необычайной тектонической и магматической активности данных регионов.
Субокеанский тип земной коры приурочен к котловинным частям
(с глубиной выше 2 км) окраинных и внутриконтинентальных морей. По строению этот тип близок к океанскому, но отличается от него повышенной мощностью (4 – 10 и больше км) осадочного слоя, располагающегося на третьем океанском слое мощностью 5 – 10 км.
Суммарная мощность земной коры 10 – 20 км, местами до 25(30) км (за счет увеличения мощности осадочного слоя).
30
Тема 3. Вещественный состав земной коры
Вопросы темы:
1. Вещественный состав земной коры.
2. Химический состав земной коры.
3. Минералы.
4. Горные породы.
Вопрос 1. Вещественный состав земной коры.
Земную кору – верхнюю твердую оболочку Земли – слагают различные генетические типы горных пород (магматические, осадочные и метаморфические), состоящие из определенного сочетания минералов, в состав которых входят различные химические элементы. Изучая такую иерархию: химические элементы → минералы → горные породы, можно судить о строении земной коры в различных структурных зонах. Ниже рассматриваются все указанные части вещественного состава земной коры.
Вопрос 2. Химический состав земной коры.
Химические изменения в земной коре определяются преимущественно геохимической историей главных породообразующих элементов, содержание которых составляет свыше 1%. Вычисления среднего химического состава земной коры проводились многими исследователями как за рубежом (Ф. Кларк, Г. С. Вашингтон, В. М.
Гольдшмидт, Ф. Тейлор, В. Мейсон и др.), так и в Советском Союзе (В.
И. Вернадский, А. Е. Ферсман, А. П. Виноградов, А. А. Ярошевский и др.)
(табл. 1).
Таблица 1.
Наиболее распространенные (98%) химические элементы в земной коре
Элемент
Символ
Ионы
Содержание, %
Кислород
O
O
2-
46,50
Кремний
Si
Si
4+
25,70
Алюминий
Al
Al
3+
7,65
Железо
Fe
Fe
2+
, Fe
3+
6,24
Кальций
Ca
Ca
2+
5,79
Магний
Mg
Mg
2+
3,23
Натрий
Na
Na
1+
1,81
Калий
K
K
1+
1,34
Сопоставляя приведенные данные, видно, что земная кора больше чем на 98% сложена О, Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, К, при этом свыше 80% составляют кислород, кремний и алюминий, в отличие от среднего состава Земли, где содержание их резко уменьшается. Особенно высоко