КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Лантаноиды
Вопросы для самопроверки 1. В чем состоит сложность изучения недр? 2. Какие основные дисциплины входят в состав геологии? 3. Законами, каких наук следует руководствоваться при изучении геологических явлений и процессов? 4. Какая геологическая информация используется при недропользовании? 5. Какие задачи горного производства решаются на основе геологической информации? 1. ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ ВО ВСЕЛЕННОЙ «То, что мы знаем, так ничтожно мало по сравнению с тем, что мы не знаем» П.С. Лаплас Образование и развитие Земли неразрывно связано с преобразованием материи и энергии во Вселенной. Представления о составе, строении, происхождении и эволюции Вселенной, как и Земли, носят гипотетический и дискуссионный характер. Основная часть информации о Вселенной и недрах Земли получена дистанционно. Самая глубокая скважина в мире пробурена на Кольском полуострове до глубины 12262 м в 1984 г., что составляет менее 1/1000 диаметра Земли. Ученые судят о глубинном составе, строении, свойствах и состоянии недр в основном интерпретируя данные астрофизики и геофизики. Считается, что первая «официальная» система взглядов на Вселенную в Европе была сформулирована Аристотелем (IV век до н. э.). По Аристотелю все земное состоит их четырех видов материи: земли (горные породы), воды (гидросфера), воздуха (атмосфера и газовые выделения из недр) и огня (вулканическая деятельность и атмосферные явления). Материя на Земле несовершенна, создается, изменяется, разрушается и стремится к покою. Пятый вид материи – эфир, находящаяся вне Земли, совершенная субстанция, пребывающая в постоянном движении и существующая вечно. Земля находится в центре мироздания, а вокруг нее обращаются небесные сферы с неизменными звездами, планетами и Солнцем. Эти идеи развивали Гиппарх (II век до н. э.) и Птолемей (II век н. э.), который для целей навигации предложил первую математическую модель Вселенной, исходя из трех постулатов: Земля - центр мироздания; Вселенная ограничена небесными сферами и конечна; на небесных сферах не может быть никаких изменений. Все необычное на небосводе (например, метеорные[1] потоки) суть атмосферные явления.
Современник Аристотеля Аристарх Самосский предположил, что центром Мира является Солнце. Эта идея была возрождена польским ученым Н. Коперником в 1543 г., который считал, что Земля - рядовая планета, вращающаяся, как и другие планеты вокруг Солнца - центра конечной Вселенной. Эти идеи развивали И. Кеплер и Г. Галилей. До 1828 г. католическая церковь считала гелиоцентрическую гипотезу ложной с философской и греховной с религиозной точки зрения. В 1591 г. философ и поэт Дж. Бруно высказал предположение о множественности Миров во Вселенной, имеющих общую природу и вращающихся вокруг общего центра расположенного вне Солнечной системы. За эту идею Дж. Бруно был обвинен в ереси и после восьмилетнего пребывания в тюрьме 17.02.1600 г. сожжен на костре. Наблюдения космоса с помощью телескопа доказали, что Солнце - одна из 1020 звезд в видимой части Вселенной (Метагалактике). Метагалактика является бесконечно малым структурным элементом Вселенной, представление о которой можно получить лишь «выйдя» за пределы Метагалактики. Звезды распределены в Метагалактике неравномерно. Наряду с отдельно расположенными звездами для наблюдателя с Земли гравитационно взаимодействующие звезды образуют галактики. Мелкомасштабная структура Метагалактики, включающая около 1 миллиарда электромагнитно взаимодействующих галактик, напоминает пену: галактики сосредоточены в узких полосах, разделенных обширными «пустотами» и зрительно пересекаются друг с другом.
Галактики различны по форме, размерам и количеству звезд. Эллиптические галактики имеют форму эллипсоида. В спиральных галактиках (рис. 1) подавляющее большинство звезд сосредоточено в плоских спиральных рукавах и центральном утолщении галактики. В плоскости рукавов расположены газопылевые облака, которые могут казаться темными, если они заслоняют находящиеся за ними звезды, или же светлыми - если звезды расположены перед этими облаками и освещают их. Существуют также галактики и в виде бесформенных звездных скоплений. При гравитационном взаимодействии форма галактик искажается. Группы галактик образуют сверхсистемы, которые являются крупнейшими элементами структуры Метагалактики.
Рис. 1. Спиральная галактика в созвездии Гончих Псов (БСЭ)
Галактики, как правило, излучают основную часть энергии в видимой части спектра. У некоторых галактик (активных) преобладает рентгеновское и ультрафиолетовое излучение. Самыми мощными источниками энергии в Метагалактике являются квазары, напоминающие ядра «активных» галактик. Галактики, значительную часть энергии, излучающие в радиодиапазоне, называются “радиогалактиками”. В ядрах этих галактик идут пока неизвестные физические процессы. Получены фотографии галактик и квазаров, удаленных от Земли на 12÷15 миллиардов световых лет[2]. На ночном небосводе можно наблюдать одну из галактик[3] в виде светлой полосы, опоясывающей небосклон. Свечение исходит от множества трудно различимых звезд. Название этой полосы - Млечный Путь связано с мифом о разлившемся по небу материнском молоке богини Геры, вскормившей Геркулеса. Млечный Путь - спиральная галактика. Полагают, что в ее центре находится неизлучающая «черная дыра»[4]. В одном из «рукавов» Млечного Пути находится Солнечная система. Диаметр нашей галактики порядка 100 тыс. световых лет, при толщине до 20 тыс. световых лет. В окрестностях Солнечной системы плотность звезд невелика[5]. Расстояние до ближайшей к Солнцу звезды α-Центавра составляет более четырех световых лет. Расстояние до ближайшей к Солнечной системе крупной галактики - Туманности Андромеды около двух миллионов световых лет.
В 1920 гг. американский астроном Э. Хаббл измерил скорости и направления движения галактик. Оказалось, что галактики «разлетаются» от общего центра в разные стороны. Полагают, что протовещество галактик ~14 миллиардов лет назад было сконцентрировано в сверхмалом объеме - фридмоне[6], а после «раскрытия» фридмона (Большого Взрыва) стало рассеиваться[7]. Эволюция Метагалактики проходила в четыре этапа: адронный[8], лептонный[9], фотонный[10] и звездный, с каждым из которых можно сопоставить определенное состояние вещества. Галактики, как скопления звезд, возникли на звездной стадии. Звезды - это стяжения плазмы, в центральных областях которых протекают термоядерные реакции. В составе звезд преобладают водород и гелий (порядка 75 и 23% массы соответственно). Термоядерное «горение» водорода (слияние четырех ядер водорода - протонов в одно ядро гелия) протекает с выделением энергии. История человечества слишком коротка для того, чтобы можно было проследить эволюцию отдельной звезды. Моделирование процессов, протекающих внутри звезд, и наблюдения за звездами, находящимися на разных стадиях развития, позволили предположить, что звезды рождаются группами при сжатии газопылевых туманностей. Масса такой туманности может превышать массу Солнца на 5-6 порядков. Процесс эволюции звезд зависит от их массы. В начале XX века Э. Герцшпрунг и Г. Рассел установили, что большинство массивных звезд - яркие и горячие, а звезды с малой массой - относительно тусклые и холодные. Массивные звезды горят недолго (несколько миллионов лет). В массивных звездах происходит как превращение водорода в гелий, так и другие термоядерные реакции: превращение гелия в углерод, а затем и последовательное образование более тяжелых элементов вплоть до железа. Их эволюция завершается взрывом - вспышкой сверхновой, во время которой яркость звезды несколько суток может равняться яркости галактики. Синтез химических элементов с атомной массой больше, чем у железа происходит только во время взрывов сверхновых звезд. Материя, выброшенная в межзвездное пространство, при взрывах звезд, в дальнейшем может образовать газопылевые облака, из которых формируются новые звезды, а из остатка формируется либо нейтронная звезда, либо черная дыра.
Ближайшая к Земле звезда Солнце. Это рядовая звезда по яркости, размерам и массе. Такие звезды как Солнце горят не так ярко как массивные звезды, но долго - несколько миллиардов лет. Их эволюция завершается менее мощным взрывом. При этом часть вещества выбрасывается в виде облака газа и пыли, а из остатка образуется звезда типа «белого карлика». Самая неяркая судьба у звезд с малой массой: они горят тускло многие миллиарды лет, постепенно гаснут и возможно становятся планетами. В Метагалактике порядка 4% вещества находится в трех формах: · концентрированные атомы[11] в составе космических тел и газопылевых туманностей; · рассеянные атомы, ионы и молекулы, образующие межгалактический газ[12]. · космические лучи, представляющие собой элементарные частицы. Около 23% массы Метагалактики приходится на «темную материю», а 73% на «темную энергию» изучение которых началось лишь в XXI веке. Отсюда степень достоверности современных представлений о Метагалактике не превышает 4%. Все известные формы вещества характеризуются единством на уровне элементарных частиц, этим объясняется единство материального мира на атомарном уровне. Максимально возможное число химических элементов в Метагалактике не превышает 150, число изотопов порядка 2000, из которых стабильны менее 300 (по Д.Н. Трифонову). Атомы трансурановых элементов нестабильны: их ядра включают десятки протонов и нейтронов. Из-за значительных размеров ядер трансурановых элементов короткодействующие внутриядерные связи периферийных протонов ослабевают, и дальнодействующие силы электростатического отталкивания обуславливают распад ядер. Продуктами распада нестабильного ядра являются стабильное ядро другого химического элемента и радиоактивное излучение. В Метагалактике наиболее распространен водород, гелий, кислород, углерод и азот. Вещество Солнечной системы состоит из 85 химических элементов с порядковыми номерами в периодической системе Д.И. Менделеева от 1 (водород) до 92 (уран). Трансурановые элементы (с №93), а также технеций (№43), прометий (№61), полоний (№84), астат (№85), франций (№87), актиний (№89), протактиний (№91) являются вторичными или получены искусственно (табл. 1)[13]. Распространенность химических элементов определяется процессами синтеза элементов в звездах и с ростом их порядковых номеров убывает. Самые распространенные изотопы относятся к типу 4n (12С, 16O, 24Mg, 28Si, 40Ca, 56Fe). Образование протопланетной туманности и Солнца связывают с происхождением химических элементов – последнего акта нуклеосинтеза в космической эволюции вещества. Относительно происхождения планет существует три класса гипотез: Таблица 1. Периодическая система химических элементов[14] Д.И. Менделеева
· Солнце и планеты солнечной системы образовались в космических временных рамках одновременно из вращающейся газопылевой туманности (гипотеза Канта-Лапласа) · Вещество планет возникло из материи «выброшенной» Солнцем (гипотезы: Бюффона, Чемберлена-Мультона, Джинса-Джефриса, Фесенкова). · Планеты солнечной системы образовались из газопылевой туманности захваченной Солнцем (гипотеза Шмидта). Наиболее вероятной представляется гипотеза Канта-Лапласа. Считается, что 98% массы первичного досолнечного облака нашей звездной системы было представлено атомами (прежде всего водородом и гелием), а 2% - космической пылью из ледовых (водяных, углекислых, метановых, аммиачных и др.), каменистых (в основном силикатных и оксидных) и железоникелевых образований. Первичное облако (небула) изначально вращалось и при этом сжималось. Так как центробежные силы препятствовали сжатию в экваториальной плоскости, облако приобрело сплюснутую форму. При сжатии скорость вращения постоянно возрастала, и в центре первичного облака образовался сгусток, который постепенно разогревался, что обуславливало конвекцию тепла от центра небулы к периферии. Космическое излучение ионизировало облако до состояния плазмы[15]. Сила Кориолиса[16] закручивала конвекционные потоки[17] плазмы в спирали против направления вращения. В целом небула напоминала соленоид, генерировавший магнитное поле. Магнитные силовые линии «армировали» туманность, обуславливая ее вращение как единого целого. Английский астрофизик Ф. Хойл предположил, что при превышении критической температуры и массы вещества в центре туманности произошел распад небулы на Протосолнце и периферийный газопылевой диск с ничтожно малой плотностью. В Протосолнце сосредоточилась почти 99,9% массы первичного облака, при незначительном моменте количества движения. Остаток вещества образовал газопылевой диск, на который приходилось 98% начального момента количества движения туманности. Величина силы Кориолиса, на медленно вращающемся Протосолнце, была весьма незначительна, поэтому потоки плазмы перестали закручиваться в спирали, генерация единого магнитного поля в туманности прекратилась. Протосолнце сжималось и разогревалось, и когда температура в его ядре достигла миллионов градусов, началось термоядерное «горение» водорода, а Протосолнце превратилось в настоящую звезду – Солнце. При разрушении небулярного соленоида (рис. 2) напряженность магнитного поля в газопылевом диске на краткий по космическим масштабам момент времени (тысячи лет) резко возросла. В диске возникли круговые электрические токи, и диск распался на отдельные независимо вращающиеся кольца. Кольца перетягивались магнитными силовыми линиями, образуя стяжения – глобулы[18]. По мере увеличения массы протопланетных сгустков и уменьшения степени ионизации происходило уплотнение вещества. Рис. 2 Небула в режиме ротационной неустойчивости (по А.П. Никонову)
Распределение атомов в небулярном соленоиде определялось их склонностью к ионизации. Атомы с высоким потенциалом ионизации (металлы и металлоиды - черные точки на рис. 2) концентрировались близ Протосолнца, а с низкой склонностью к ионизации (неметаллы - кружки на рис. 2) распространялись дальше от центра системы. Поэтому ближайшие к Солнцу планеты (земной группы) отличаются от состава «газовых» планет группы Юпитера. Описанная модель распределения химических элементов при образовании планет позволяет оценить исходный состав протопланетного вещества в зоне формирования Земли (табл. 2). Почти 60% всех атомов в этой зоне составлял водород. Водород обладает рядом уникальных свойств: он мигрирует через твердые тела; многие металлы под давлением способны поглощать значительное количество водорода с образованием твёрдых растворов, сохраняющих кристаллическую структуру металла, и имеющих плотность, значительно превышающую плотность самого металла. Это происходит потому, что атомы металла, вступая в химическую связь с водородом, теряя внешнюю электронную оболочку, превращаются в ионы, имеющие значительно меньший объем[19]. При нагревании гидрид распадается на водород и металл, объем которого превышает исходный объем гидрида. Таблица 2 Состав вещества в зоне формирования Земли
Начальная плотность глобулы не превышала 1,5 г/м3. Энергия гравитационного сжатия расходовалась на создание химических связей водорода с металлами, а разогрев вещества при его конденсации не превышал критических значений для распада гидридов. Затем согласно гипотезе В.Н. Ларина[20] тепло распада трансурановых элементов в недрах Протоземли обусловило смену эндотермической генерации гидридов на экзотермическую реакцию их разложения в области относительно низких давлений. Объем Земли за счет распада металлогидридов в внешней части ядра стал увеличиваться и этот процесс продолжается по настоящее время[21]. Водород из ядра, проходя через вещество Протоземли, вступал в восстановительные реакции и способствовал перемещению к поверхности различных химических элементов (прежде всего кислорода). В результате этого процесса протопланета расслоилась на ряд геосфер. В центре находится тяжелое и плотное внутреннее ядро из гидридов (в основном кремния и магния)[22]. Его окружает внешнее ядро наводороженных металлов, которые при больших давлениях обладают пластичными свойствами, далее следует нижняя мантия (металлосфера[23]), перекрытая силикатно-окисной оболочкой - литосферой. Ранее считали, что планеты земной группы возникли при слиянии (аккреции) макроскопических космических тел и первоначально представляли собой силикатно-железо-никелистые агрегаты, которые разогрелись благодаря распаду радиоактивных элементов до такой степени, что металлические частицы расплавились и «стекли» к центру масс, образовав металлические ядра, а более легкий и не подвергавшийся плавлению «силикатный» материал остался на периферии, образовав мантию. В ядре Земли температура, согласно этим представлениям, превышает 4000°С, а давление около 3000 т/см2. При этом роль 98% вещества небулы в формировании планет несущественна, а макроскопические космические тел концентрировались на ее периферии. Предположение о железо-никелистом ядре были сделаны по принципу аналогии: железо – устойчивый, тяжелый, магнитный и распространенный химический элемент. Однако при давлениях, действующих в центре Земли, плотность железа будет существенно больше плотности земного ядра. Железо-никелистые метеориты, которые отождествляют с веществом ядра Земли, не содержат других элементов в количествах необходимых для компенсации избыточной плотности гипотетического железо-никелистого ядра. В недрах Земли кроме значительных давлений действует еще и высокая температура, а при нагреве свыше 769°С железо утрачивает ферромагнитные свойства (точка Кюри). Данные сейсмического зондирования показали, что скорость прохождения сейсмической волны через ядро и железо близки. Но не все подобное тождественно. Так, например, скорость прохождения сейсмической волны через лунный грунт (реголит) и швейцарский сыр одинаковы… Планеты, имеющие значимые гравитационные поля, обладают атмосферой. Первоначально атмосферы Венеры, Земли и Марса видимо состояли главным образом из углекислого газа. В отличие от Венеры и Марса физические условия на поверхности Земли позволяют воде существовать в жидкой фазе. На Венере для этого слишком жарко (средняя температура у поверхности 480°С), а на Марсе слишком холодно (средняя температура -55°С). С образованием на Земле водоемов, углекислый газ стал растворяться в воде, образуя углекислотные осадки (в последующем карбонатные породы). Постепенно практически весь углекислый газ был удален из земной атмосферы, и роль ведущего газа в ней перешла к азоту. С появлением фотосинтезирующих растений в земной атмосфере накопилось значительное количество кислорода. Современная атмосфера Земли имеет азотно-кислородный состав, в отличие от углекислых атмосфер Венеры и Марса. Ближайшей космический сосед Земли, ее спутник - Луна наиболее хорошо изученный объект космоса. Луна исследована десятками автоматических станций. Шесть раз (в 1969-72 гг.) на Луну высаживались астронавты. С поверхности и скважин глубиной до 3 м отобрано и доставлено на Землю 5 т лунных горных пород. Луна обращается вокруг Земли по эллиптической орбите на среднем расстоянии 384400 км (~60 радиусов Земли). Масса Луны составляет 73,5´1018 т (1,23% массы Земли). Систему Земля—Луна корректно рассматривать как двойную планету с общим центром масс, отстоящим от центра Земли на 4,7 тыс. км. Притяжение Луны создаёт приливные явления в атмосфере, водной оболочке и литосфере.[24] Приливные волны перемещаются при вращении Земли. Приливы в земной коре имеют амплитуду до 43 см, в открытом океане для воды до 1 м. Многократное изменение состояний горных пород при приливах приводит к необратимому изменению их свойств, одним из проявлений этого является планетарная трещиноватость. Трение, сопровождающее движение приливов, приводит к потере системой Земля—Луна энергии и передаче момента количества движения от Земли к Луне. Вращение Земли замедляется, а Луна удаляется от Земли, при этом центр общих масс соответственно смещается к центру Земли. В результате увеличения радиуса Земли и взаимодействия с Луной продолжительность суток возрастает на 0,57 сек. за столетие. По месячным и годичным кольцам роста у ископаемых кораллов установлено, что период вращения Земли вокруг оси увеличивается (450 млн. лет назад длительность суток составляла 21,9 час, а в году было 400 дней). Из-за приливного взаимодействия вращение Луны вокруг своей оси синхронизировано с вращением вокруг Земли, и Луна постоянно обращена к Земле одной стороной. На видимом с Земли полушарии Луны выделяются светлые и темные области. В начале XVII в. Г. Галилей установил, что темные области Луны («моря») имеют ровную поверхность, тогда как светлые области («континенты») изобилуют кратерами и горными хребтами. Полагают, что первоначально вся поверхность Луны представляла собой сплошной «континент». «Континентальная» кора Луны сложена кристаллическими горными породами (анортозитами). Луна на раннем этапе развития подвергалась интенсивной метеоритной бомбардировке, в результате чего оказалась изрыта метеоритными кратерами. На завершающих этапах метеоритной бомбардировки Луна претерпела удары очень крупных тел, в результате которых возникли глубокие разломы, из которых излились базальтовые лавовые покровы. Видимо свою роль сыграло и притяжение Земли. Так образовались сравнительно ровные лунные «моря». На невидимой стороне Луны нет крупных «морей», поверхность образует «континент». Американские сейсмические станции позволили установить, что поверхностная оболочка (кора) Луны асимметрична: на видимой стороне она имеет мощность около 60 км, а на обратной около 200 км[25]. Энергии метеоритов падающих на обратную сторону не хватало, чтобы пробить лунную кору. В геологическом плане Луна не мертва. На Луне зафиксированы слабые лунотрясения, эпицентры которых располагаются вдоль линий, очевидно маркирующих крупнейшие разломы. «Сейсмоактивные» зоны на Луне пространственно примерно совпадают с теми районами, где астрономы не раз наблюдали быстротечные истечения газов, которые можно интерпретировать как выходы вулканических газов. Луна хранит массу загадок. Анортозиты - горные породы, на значительных площадях залегающие непосредственно на поверхности Луны, могли образоваться только при условии кристаллизации под покровом плотной внешней среды. Что представляла собой и куда делась эта внешняя среда неизвестно. Обнажения анортозитов свидетельствуют о существенных вертикальных перемещениях лунной коры, а также о значительной эрозии, либо о процессах пока нам неизвестных. Представления о других космических объектах следует составить самостоятельно.[26]
Дата добавления: 2013-12-12; Просмотров: 297; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |