Файл: Учебник КСЕ.doc

Относительно пластичный слой пониженных скоростей сейсмических волн получил название астеносферы (от греч. asthenes – слабый). Мощность ослабленной зоны достигает 200–300 км. Распола­гается она на глубине примерно 100–200 км, но глубина меняется: в центральных частях океанов астеносфера располагается выше, под устойчивыми участками материков опускается глубже.

Астеносфера имеет весьма важное значение для развития глобальных эндогенных геологических процессов. Малейшее нарушение термодинамического равновесия способствует образованию огромных масс расплавленного вещества (астенолитов), которые поднимаются вверх, способствуя перемещению отдельных блоков литосферы по поверхности Земли. В астеносфере возникают магматические очаги. Исходя из тесной связи литосферы с астеносферой эти два слоя часто объединяют под названием тектоносфера.

В последнее время внимание ученых привлекает зона мантии, расположенная на глубине 670 км. Полученные данные позволяют предполагать, что эта зона намечает нижнюю границу конвективного тепломассообмена, который связывает верхнюю мантию (слой В и верхнюю часть промежуточного слоя с литосферой.

В пределах мантии скорость сейсмических волн в целом возрастает в радиальном направлении от 8,1 км/с на границе земной кс ры с мантией до 13,6 км/с в нижней мантии. Но на глубине около 2900 км скорость продольных сейсмических волн резко уменьшаете до 8,1 км/с, а поперечные волны глубже вообще не распространяются. Этим намечается граница между мантией и ядром Земли.

Ученым удалось установить, что на границе мантии и ядра в интервале глубин 2700–2900 км происходит зарождение гигантских тепловых струй, периодически пронизывающих всю мантию и проявляющихся на поверхности Земли в виде обширных вулканических полей.

Ядро. Ядро Земли – центральная часть планеты. Оно занимает только около 16% объема Земли, но содержит более трети всей ее массы. Судя по распространению сейсмических волн, периферия ядра находится в жидком состоянии. В то же время наблюдения за происхождением приливных волн позволили установить, что упругость Земли в целом очень велика (больше упругости стали).

В ядре господствуют условия чрезвычайно высокого давления несколько миллионов атмосфер. В этих условиях происходит полное или частичное разрушение электронных оболочек атомов, вещество «металлизируется», т.е. приобретает свойства, характерные для металлов, в том числе высокую электропроводность. Возможно, что земной магнетизм является результатом электрических токов, возникающих в ядре в связи с вращением Земли вокруг своей оси.

Плотность ядра – 5520 кг/м³, т.е. вещество, составляющее ядро, в два раза тяжелее каменной оболочки Земли. Вещество ядра неодно­родно. На глубине около 5100 км скорость распространения сейсмических волн вновь возрастает с 8100 м/с до 11000 м/с. Поэтому предполагают, что центральная часть ядра твердая.

---

Вещественный состав оболочек Земли. Исследование вещественного состава оболочек Земли представляет весьма сложную проблему. Для непосредственного изучения состава доступна лишь земная ко­ра. Имеющиеся данные свидетельствуют, что земная кора состоит преимущественно из силикатов, а 99,5% ее массы составляют восемь химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, маг­ний, кальций, натрий и калий. Все остальные химические элементы в сумме образуют около 1,5%.

О составе более глубоких сфер земного шара можно судить лишь ориентировочно, используя геофизические данные и результаты изу­чения состава метеоритов. Поэтому модели вещественного состава глубинных сфер Земли, разработанные разными учеными, различа­ются. Можно с большой уверенностью предполагать, что верхняя мантия также состоит из силикатов, но по сравнению с земной корой содержащих меньше кремния и больше железа и магния, а нижняя мантия – из оксидов кремния и магния, кристаллохимическая струк­тура которых значительно более плотная, чем у этих соединений, на­ходящихся в земной коре.

Еще более гипотетичны представления о составе ядра Земли. Учи­тывая высокую плотность (9,4–11,5 г/см) и невозможность распро­странения поперечных сейсмических волн, ученые предполагают, что периферия ядра находится в состоянии расплава и состоит из ок­сидов или сульфидов железа с примесью кремния, углерода и неко­торых других элементов. По причине еще большей плотности цен­тральной части ядра можно ожидать, что она близка к составу же­лезных метеоритов и состоит из никелистого железа.

4.1.2. История геологического строения Земли

Историю геологического строения Земли принято изображать в виде последовательно появляющихся друг за другом стадий или фаз. Отсчет геологического времени ведется от начала процесса образо­вания Земли.

Фаза 1 (4,7–4 млрд. лет). Происходит образование Земли из газа, пыли и планетезималей. В результате энергии, выделяющейся в процессе распада радиоактивных элементов, и столкновения планетезималей Земля постепенно разогревается. Падение на Землю гигантского ме­теорита приводит к выбросу материала, из которого образуется Луна.

Согласно другой концепции Протолуна, находящаяся на одной из гелиоцентрических орбит, была захвачена Протоземлей, в резуль­тате чего образовалась двойная система Земля–Луна.

Дегазация Земли приводит к началу образования атмосферы, состоящей в основном из углекислоты, метана и аммиака. В конце рассматриваемой фазы за счет конденсации водяного пара начинается образование гидросферы.

Фаза 2 (4–3,5 млрд. лет). Возникают первые острова, протоконтиненты, сложенные из горных пород, содержащих преимущественно кремний и алюминий. Протоконтиненты незначительно возвыша­ются над еще очень мелководными океанами.

---

Фаза 3 (3,5–2,7 млрд. лет). Железо собирается в центре Земли и образует ее жидкое ядро, которое обусловливает возникновение магнитосферы. Создаются предпосылки для появления первых организмов, бактерий. Продолжается формирование континентальной коры.

Фаза 4 (2,7–2,3 млрд. лет). Образуется единый суперконтинент Пангея, которому противостоит суперокеан Панталасса.

Фаза 5 (2,3–1,5 млрд. лет). Охлаждение коры и литосферы приводит к распаду суперконтинента на блоки-микроплиты, пространство между которыми заполняют осадки и вулканы. В результате возникают складчато-надводные системы, и образуется новый суперконтинент – Пангея I. Органический мир представлен сине-зелеными водорослями, фотосинтезирующая деятельность которых способствует обогащению атмосферы кислородом, что ведет к дальнейшему развитию органического мира.

Фаза 6 (1700–650 млн. лет). Происходит деструкция Пангеи I, образование бассейнов с корой океанского типа. Формируются два cyперконтинента: Гондвана, куда вошли Южная Америка, Африка, Мадагаскар, Индия, Австралия и Антарктида, и Лавразия, включающая Северную Америку, Гренландию, Европу и Азию (кроме Индии). Гондвану и Лавразию разделяет море Тетис. Наступают первые ледниковые эпохи. Органический мир стремительно насыщается многоклеточными бесскелетными организмами. Появляются первые скелетные организмы (трилобиты, моллюски и др.). Происходит нефтеобразование.

Фаза 7 (650–280 млн. лет). Горный пояс Аппалачей в Америке соединяет Гондвану с Лавразией – образуется Пангея II. Обозначаются контуры палеозойских океанов – Палеоантлантического, Палеотетиса, Палеоазиатского. Гондвану дважды охватывает покровное оледенение. Появляются рыбы, позднее – амфибии. Растения и животные выходят на сушу. Начинается интенсивное углеобразование.

Фаза 8 (280–130 млн. лет). Пангея II пронизывается все более густой сетью континентальных рифов, щелевидных ровообразных растяжений земной коры. Начинается раскалывание суперконтинента. Африка отделяется от Южной Америки и Индостана, а последний – от Австралии и Антарктиды. Наконец Австралия отделяется от Антарктиды. Покрытосеменные растения осваивают значительные пространства суши. В животном мире господствуют пресмыкающиеся и земноводные, появляются птицы и примитивные млекопитающие. В конце периода погибают многие группы животных, в том числе огромные динозавры. Причины этих явлений обычно видят либо в столкновении Земли с крупным астероидом, либо в резком усиле­нии вулканической деятельности. То и другое могло привести к глобальным изменениям (увеличению содержания углекислоты в атмосфере, возникновению крупных пожаров, похолоданию), несо­вместимым с существованием многих видов животных.

Фаза 9 (130 млн. лет–600 тыс. лет). Крупным изменениям подвергает­ся общая конфигурация материков и океанов, в частности Евразия отделяется от Северной Америки, Антарктида – от Южной Америки. Распределение материков и океанов стало весьма близким к совре­менному. В начале рассматриваемого периода климат на всей Земле теплый и влажный. Конец периода характеризуется резкими климатическими контрастами. Вслед за оледенением Антарктиды происходит оледенение Арктики. Складываются фауна и флора, близкие к современным. Появляются первые предки, современного человека.

---

Фаза 10 (современность). Между литосферой и земным ядром поднимаются и опускаются потоки магмы, сквозь щели в коре они прорываются наверх. Обломки океанической коры опускаются вплоть до самого ядра, а затем всплывают и, возможно, образуют новые острова. Литосферные плиты сталкиваются друг с другом и находятся под постоянным воздействием потоков магмы. Там, где плиты расходятся, образуются новые сегменты литосферы. Постоянно происходит процесс дифференциации земного вещества, который преобразует состояние всех геологических оболочек Земли, в том числе и ядра.

4.2. Современные концепции развития геосферных оболочек

4.2.1. Концепция глобальной геологической эволюции Земли

Разработка концепции глобальной эволюции Земли позволила представить развитие геосферных оболочек.

Концепция глобальной эволюции Земли в объяснении динамических истоков развития геосферных оболочек решающее значение придает:

• однородности химического состава первичной Земли;

• изменению ее термодинамических состояний под воздействием энергетических потоков;

• приобретению расплавленным веществом Земли текуче-подвижных состояний, приводящих к его химико-плоскостной дифференциации;

• образованию в результате дифференциации вещества Земли ее геосферных оболочек;

• эволюции геосферных оболочек в процессе непрекращающихся изменений динамических характеристик Земли.

Каждый новый шаг в осмыслении возникновения, эволюции и развития (коренных преобразований) геосферных оболочек требует четкого выделения тех динамических факторов, которые детерминируют геологические события. В этом состоит суть, главное содержание концепции глобальной эволюции Земли.

Энергетическая динамика Земли определяется в основном тремя составляющими: энергией гравитации (около 82%), энергией радиоактивного распада (около 12%), приливной энергией (около 4%). Что касается солнечной энергии, то она, частично поглощаясь внешними геосферными оболочками, отражается ими же в космос. Земля стала тектонически активной далеко не сразу, а лишь после ее разогрева, который из-за наличия приливных сил (высота волн прилива достигала 1 км) оказался наибольшим в приповерхностных слоях планеты. Высокие температуры на поверхности способствовали постепенному разогреванию вещества планеты, переводя его в расплавленное состояние. Вещества Земли, обладавшие наибольшей плотностью, стали диффундировать в центр планеты.

В первичном составе Земли содержалось много железа (около 13%) и его двухвалентной окиси (около 24%).

Железо появилось отчасти за счет межзвездной материи, из которой образовалась Земля, и захвата ею метеоритов, в которых содержалось около 30% железа. Стекшие железа и его окислов в центр планеты привело к образованию ядра Земли. Более легкие вещества (SiO2, MgO и др.) при этом переходили в верхние слои планеты, где они, остывая, образовали астеносферу и литосферу. Собственно мантия Земли оказалась заключенной между ядром планеты и ее твердыми приповерхностными областями, т.е. литосферой. Дегазация планеты привела к образованию атмосферы Земли. За счет конденсации водяных паров атмосферы образовалась гидросфера.

---

Итак, было время (4,6–4,0•10⁹ лет назад), когда Земля не была дифференцирована на геосферные оболочки. Все геосферные оболочки являются результатом дифференциации вещественного составам первичной Земли. Атмосфера оказывает давление на литосферу и гидросферу, две последние упруго сжимают мантию планеты, которая в свою очередь спрессовывает ядро Земли. Если же двигаться от центра планеты к ее периферии, то динамическая картина оказывается другой. Ядро Земли притягивает к себе вещество всех других геосферных оболочек, охватывает их обручем инициированного им магнитного поля, нагревает мантию и достигающие его оболочки литосферы. Мантия Земли передает мощные потоки тепловой энергии литосфере, раздвигает океаническое дно и перемещает литосферные плиты. Литосфера и гидросфера оказывают тепловое воз­действие на атмосферу, передавая ей также огромные массы вещества являющиеся продуктами выветривания и испарения.

Таким образом, геодинамическая активность Земли также имеет свою историю: она находится в полном соответствии с историей эволюции геосферных оболочек.

4.2.2. История формирования геосферных оболочек

Рассмотрим в свете концепции глобальной эволюции Земли историю формирования основных геосферных оболочек.

Этапы развития Земли с позиций концепции глобальной геоэволюции.

С позиций концепции глобальной геоэволюции в развитии Земли выделяют следующие этапы:

1. образование планеты (4,7–4 млрд. лет назад);

2. нарастание тектонической деятельности Земли и достижение ею своего пика (4–2,2 млрд. лет назад);

3. период относительного постоянства в тектонической деятельности планеты (2,2 млрд. лет назад – 6 млрд. лет вперед);

4. угасание тектонической деятельности Земли (0,6 млрд. лет назад – 1,6 млрд. лет вперед);

5. остывание планеты (1,6–5 млрд. лет вперед);

6) опаление Земли в результате расширения перед угасанием Солнца (около 5 млрд. лет вперед).

Формирование ядра. Формирование ядра Земли началось примерно 4,6 • 10⁹ лет назад. Расчеты показывают, что оно было особенно интенсивным в период (3–2,6) • 10⁹ лет назад. После 2,6 млрд. лет наращивание массы земного ядра начало резко, а потом плавно убывать. В наши дни масса ядра увеличивается, согласно расчетам, на 130 млрд. т в год. «Металлическое железо» покинуло мантию Земли примерно 500 млн. лет назад, оставшийся в ней магнетит (Fe₃O₄) распадается по схеме: 2Fе₃O₄ →6FeO + O₂, при этом FeO переходит но внешнее ядро Земли. Остывание Земли привело к частичному или полному затвердеванию как ее мантии, так и ядра.

Формирование мантии. Мантия по своему вещественному составу наиболее близка к составу первичного вещества Земли. Тем не менее, именно в ней процессы химико-плотностной дифференциации идут наиболее энергично: на протяжении 4 млрд. лет она проходит все новые стадии своего вещественного обеднения. Тяжелое вещество уходит к центру планеты, в ее ядро. Легкие элементы перемещаются в лито-, атмо- и гидросферу. Из мантии Земли полностью исчезли FeS, Fe, Ni. По сравнению с составом первичной Земли она существенно обеднела легкими веществами (К₂О, Na₂O, N₂, H₂ и др.) Вместе с тем происходящая в мантии химико-плотностная дифференциация приводит к росту в процентном содержании оксидов кремния (SiO₂) и магния (MgO). В сумме эти два оксида составляют около 83% состава современной мантии (против 57% в составе первичного вещества Земли).

---