Строение и эволюция Земли

1. Геофизика изучает внутреннее строение Земли, физические свойства и процессы в геосферах.

2. Геохимия изучает химический состав Земли, закономерности распространения химических элементов в различных геосферах, закономерности их поведения, сочетаний, миграций.

3. Геометрическая форма Земли называется геоидом. Это шар, сплюснутый у полюсов, близкий к эллипсоиду. Радиус Земли в плоскости экватора примерно на 21 км больше, чем радиус в плоскости меридиана. За поверхность геоида принимается спокойная поверхность океана, мысленно продолженная под материками таким образом, чтобы она всюду была перпендикулярна линии отвеса или силе тяжести.

4. В химический состав Земли входят железо (34,6 %), кислород (29,5 %), кремний (15,2 %), магний (12,7 %), а также уран, торий и калий, выделяющие теплоту за счёт радиоактивного распада.

5. Согласно сейсмическим данным, недра Земли разделяются на три основные области: кору, мантию и ядро (рис. 4.1). Кроме того, строение Земли представляют совокупностью геосферных оболочек (литосферы, астеносферы, гидросферы, атмосферы и магнитосферы).

6. Основными типами земной коры являются океанический (толщина до 10 км с учётом слоя воды) и материковый (толщина до десятков километров в горных районах). Средняя толщина земной коры оценивается величиной 35 км. Материковая (континентальная) кора состоит из двух слоёв: гранитного и базальтового. Океаническая кора имеет базальтовый состав (рис. 4.2 и 4.3).

7. Мантия или силикатная оболочка расположена на глубинах от 35 до 2885 км, её разделяют на верхнюю и нижнюю мантии.

8. Внешнее ядро находится в жидком состоянии и состоит по современным представлениям из смеси серы (12 %) и железа (88 %).

9. Внутреннее ядро представляет собой железо-никелевый сплав (20 % никеля и 80 % железа).

10. Литосфера включает в себя земную кору и верхнюю зону мантии, в которой вещество настолько остыло, что превратилось в горную породу. Приблизительная толщина литосферы составляет 70 км. Литосфера расколота примерно на 10 больших плит, по краям которых расположено подавляющее большинство очагов землетрясений.

11. Под жёсткой литосферой находится слой повышенной текучести – астеносфера, в которой плавают литосферные плиты. Пластичность вещества астеносферы обусловлена его частичным плавлением: твёрдые гранулы окружены плёнкой расплава. В астеносфере расположены первичные магматические очаги вулканов, процессы в астеносфере определяют геологическое строение земной коры. Земная кора создаётся в рифтовых зонах океанов.

12. Влияние внутренних процессов на эволюцию геологических структур Земли в настоящее время объясняет гипотеза глобальной тектоники литосферных плит. Процесс расхождения литосферных плит называется спредингом. В глубоководных желобах одна плита подползает под другую и поглощается мантией. Процесс подныривания одной плиты под другую называется субдукцией. При столкновении плит возникают складчатые сооружения. Границы между плитами образуют единую систему разломов, в которых действуют механические напряжения. Трение на границах сдвигающихся плит является причиной землетрясений, нагревание осадочного слоя опускающейся плиты сопровождается химическими реакциями. Их результатом являются извержения вулканов, образующиеся газы и пары воды через жерло вулкана попадают в атмосферу. Примером может служить цепь вулканов на Дальнем Востоке, где тихоокеанская плита опускается под евроазиатскую. Наибольшая сейсмическая активность наблюдается в Тихоокеанском поясе, в котором выделяется примерно 75 % энергии всех землетрясений.

13. Эндогенными называются геодинамические процессы, связанные с энергией, возникающей в недрах твердой Земли: тектонические движения, вулканизм, сейсмическая активность.

14. Экзогенными называются геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в самых верхних частях земной коры: выветривание, эрозия, криогенные процессы, лавины.

15. Как нагретое тело, Земля излучает в среднем 0,07 Вт/м², преимущественно в инфракрасном диапазоне. Теплота из недр Земли выделяется не только за счёт теплопроводности, но и посредством конвекции вещества в недрах. Следствием конвекции в верхней мантии являются рождение литосферных плит в рифтовых зонах и их погружение в мантию у глубоководных желобов.

16. В результате дифференциации вещества в недрах Земли и его дегазации возникли гидросфера и атмосфера. Гидросфера включает в себя океаны и моря, подземные воды, материковые и полярные льды, снежный покров, озёра, реки и водохранилища, воду в атмосфере, болота и воду в организмах.

17. Химический состав атмосферы Земли вблизи её поверхности – азот (78 %), кислород (21 %), водяной пар, аргон, углекислый газ, неон, гелий, метан и другие газы. Область атмосферы до 90–100 км называется гомосферой, то есть однородной по химическому составу. Остальная часть называется гетеросферой, там состав воздуха меняется с высотой.

18. По вертикали атмосфера имеет слоистое строение, определяемое, прежде всего, особенностями распределения температуры (рис. 4.4). Около 80 % всей массы атмосферы содержится в её самой нижней части – тропосфере. Высота тропосферы изменяется от 8–10 км в полярных широтах до 16–18 км у экватора, температура в тропосфере убывает с высотой на 6 градусов за каждый километр. Над тропосферой расположен переходный слой – тропопауза с температурой 190–220 К (от –80 до –50 °С). Выше начинается стратосфера, здесь до высоты примерно 20 км температура остаётся постоянной, далее возрастает. Температура воздуха достигает максимума 270 К (0 °С) в следующем переходном слое на высоте около 55 км – стратопаузе. В следующем слое на высотах от 55 до 80 км, называемом мезосферой, температура снова понижается. Ещё выше (80–90 км) расположен переходный слой – мезопауза, а над ним – термосфера, где температура увеличивается с высотой и достигает очень больших значений свыше 1000 К (1273 °С). Наконец, на удалении 1000 км и далее находится экзосфера, откуда атмосферные газы рассеиваются с мировое пространство и где происходит постепенный переход от атмосферы к межпланетному пространству. В этой зоне отсутствует обычное распределение энергии среди молекул, а понятие температуры теряет смысл.

19. Важную роль в атмосфере играет озон, поглощающий губительное для всего живого ультрафиолетовое излучение. Озон содержится в основном в стратосфере, область его повышенной концентрации с максимумом на высоте20–30 км, называют условно озоновым слоем. Озон разрушается хлорфторуглеводородами, которые используются как фризы, растворители, стерилизаторы и моющие средства.

20. Источником энергии для всех процессов в атмосфере является солнечная радиация. Главная особенность атмосферы – парниковый эффект: атмосфера слабо поглощает солнечную коротковолновую радиацию, которая быстро достигает Земли, но задерживает тепловое длинноволновое излучение земной поверхности. Этот эффект значительно уменьшает теплоотдачу Земли в космос и повышает температуру атмосферы. Кроме того, в тепловом балансе Земли играет роль выделение энергии в её недрах при радиоактивном распаде.

21. Климат Земли определяется процессами теплообмена, влагообмена и циркуляции атмосферы. Водный баланс атмосферы определяется количеством осадков, выпадающих на земную поверхность, и равному количеству влаги, испарившейся с поверхности. Циркуляция атмосферы вызывается неравномерным нагреванием, тесно связанным с распределением давления. Атмосфера, как и океан, представляют собой сильно неравновесные системы. Атмосфера может пребывать достаточно долго в устойчивом состоянии, но вблизи неустойчивого состояния небольшое изменение любого параметра играет роль «спускового крючка». Слабое воздействие вызывает существенное изменение всей глобальной циркуляции воздуха, что делает невозможным долгосрочный прогноз погоды.

22. Область атмосферы, расположенная на высотах от 50 км и обладающая высокой концентрацией электронов, называется ионосферой. Эта область делится на несколько слоёв, её главное свойство – отражение радиоволн.

23. Магнитосферой Земли называют область околоземного пространства, в котором проявляется магнитное поле Земли: на 70–80 тыс. км в сторону Солнца и на многие миллионы километров в противоположном направлении. Магнитосфера удерживает электроны и протоны, движущиеся в сторону Земли (солнечный ветер), и образует огромное кольцо, называемое радиационным поясом Земли. Магнитосфера отделена от межпланетного пространства магнитопаузой, вдоль которой солнечный ветер обтекает нашу планету.

24. Причиной магнитного поля Земли считают конвективные движение проводящего вещества в земном ядре. Такое «гидромагнитное динамо» позволяет объяснить движение магнитных полюсов и вековые колебания геомагнитного поля.

25. В пограничных областях магнитосферы возникает электрическое поле Земли, вызывающее электрические токи вдоль магнитных силовых линий и замыкающиеся в ионосфере.

26. Современные концепции развития геосферных оболочек построены на основе концепции глобальной эволюции Земли. Земля образовалась 4,6 млрд. лет назад в протопланетном облаке. По мере остывания Земли от начальной температуры 4000–8000 °С углерод и более тугоплавкие элементы конденсировались и образовали земную кору. Возраст наиболее древних горных пород превышает 3,75 млрд. лет. Дальнейшее снижение температуры до 100 °С привело к конденсации водяных паров и образованию океанов. Атмосфера и гидросфера возникли за счёт выделения газов из лавы, которые поступали из верхней мантии Земли при интенсивной вулканической деятельности. Примерно 3,5–3,8 млрд. лет назад на Земле создались условия (температурные, химические и другие), благоприятные для зарождения жизни. Началось развитие биосферы, оказавшее значительное влияние на состав атмосферы, гидросферы и осадочных пород.

27. Геологическая история Земли делится на два крупных этапа: криптозой (докембрий), длившийся около 4 млрд. лет, и фанерозой – последние 570 млн. лет (табл. 4.2). Во время криптозоя, охватывающего катархейскую, архейскую и протерозойскую эры, сформировались породы, лишённые остатков скелетной фауны. Противопоставляемый криптозою фанерозой, включает в себя палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую эры. Эры делятся на периоды, характеризуемые качественным своеобразием флоры и фауны. Резких границ между эпохами не было, но именно на рубежах соседних эр и периодов преимущественно происходили геологические преобразования: горообразовательные процессы, перераспределение суши и моря, смена климата и прочие.

Таблица 4.2

Дата добавления: 2015-06-27