Вещественный состав земли


Вещественный состав мантии и ядра Земли
Вещественный состав земной коры

Вещественный состав мантии и ядра Земли

О вещественном составе глубинных зон прямых данных практически нет. Выводы базируются на геофизических данных, дополняемых результатами экспериментов и математического моделирования. Существенную информацию несут метеориты и фрагменты верхнемантийных пород, выносимые из недр глубинными магматическими расплавами.

Валовый химический состав Земли очень близок к составу углистых хондритов – метеоритов, по составу близких первичному космическому веществу, из которого формировалась Земля и другие космические тела Солнечной системы. По валовому составу Земля на 92% состоит всего из пяти элементов (в порядке убывания содержания): кислорода, железа, кремния, магния и серы. На все остальные элементы приходится около 8%.

Однако в составе геосфер Земли перечисленные элементы распределены неравномерно — состав любой оболочки резко отличается от валового химического состава планеты. Это связано с процессами дифференциации первичного хондритового вещества в процессе формирования и эволюции Земли.


Основная часть железа в процессе дифференциации сконцентрировалась в ядре. Это хорошо согласуется и с данными о плотности вещества ядра, и с наличием магнитного поля, с данными о характере дифференциации хондритового вещества, и с другими фактами. Эксперименты при сверхвысоких давлениях показали, что при давлениях достигаемых на границе ядра и мантии, плотность чистого железа близко к 11 г/см3, что выше фактической плотности этой части планеты. Следовательно, во внешнем ядре присутствует некоторое количество лёгких компонентов. В качестве наиболее вероятных компонентов рассматриваются водород или сера. Так расчёты показывают, что смесь 86% железа + 12% серы + 2% никеля соответствует плотности внешнего ядра и должна находится в расплавленном состоянии при Р-Т условиях этого участка планеты. Твёрдое внутреннее ядро, представлено никелистым железом, вероятно, в соотношении 80% Fe + 20% Ni, что отвечает составу железных метеоритов.

Для описания химического состава мантии к сегодняшнему дню предложено несколько моделей (табл.). Несмотря на имеющиеся между ними различия, всеми авторами принимается, что примерно на 90% мантия состоит из окислов кремния, магния и двухвалентного железа; еще 5 – 10% представлены окислами кальция, алюминия и натрия. Таким образом, на 98% мантия состоит всего из шести перечисленных окислов.


Химический состав мантии Земли
Окислы Содержание, весовые %
Пиролитовая
модель
Лерцолитовая
модель
Хондритовая
модель
SiO2 45,22 45,3 48,1
TiO2 0,7 0,2 0,4
Al2O3 3,5 3,6 3,8
FeO 9,2 7,3 13,5
MnO 0,14 0,1 0,2
MgO 37,5 41,3 30,5
CaO 3,1 1,9 2,4
Na2O 0,6 0,2 0,9
К2О 0,13 0,1 0,2

Дискуссионным является форма нахождения этих элементов: в форме каких минералов и горных пород они находятся?

До глубины 410 км, согласно лерцолитовой модели, мантия состоит на 57% из оливина, на 27% из пироксенов и на 14% из граната; её плотность около 3,38 г/см3. На границе 410 км оливин переходит в шпинель, а пироксен – в гранат. Соответственно, нижняя мантия состоит из гранат-шпинелевой ассоциации: 57% шпинели + 39% граната + 4% пироксена. Превращение минералов в более плотные модификации на рубеже 410 км приводит к увеличению плотности до 3,66 г/см3, что отражается в возрастании скорости прохождения сейсмических волн через это вещество.

Следующий фазовый переход приурочен к границе 670 км. На этом уровне давление определяет разложение минералов, типичных для верхней мантии, с образованием более плотных минералов. Вследствие такой перестройки минеральных ассоциаций плотность нижней мантии у границы 670 км становится около 3,99 г/см3 и постепенно нарастает с глубиной под воздействием давления. Это фиксируется скачкообразным нарастанием скорости сейсмических волн и дальнейшим плавным нарастанием скорости границы 2900 км. На границе мантии и ядра, вероятно, происходит разложение силикатных минералов на металлическую и неметаллическую фазы. Этот процесс дифференциации мантийного вещества сопровождается ростом металлического ядра планеты и выделением тепловой энергии.


Суммируя приведённые данные, необходимо отметить, что разделение мантии обусловлено перестройкой кристаллической структуры минералов без значимого изменения её химического состава. Сейсмические границы раздела приурочены к участкам фазовых превращений и связаны с изменением плотности вещества.

Раздел ядро/мантия является, как отмечено ранее, очень резким. Здесь резко изменяются скорости и характер прохождения волн, плотность, температура и другие физические параметры. Такие радикальные изменения не могут быть объяснены перестройкой кристаллической структуры минералов и, несомненно, связаны с изменением химического состава вещества.

Более подробные сведения имеются в вещественном составе земной коры, верхние горизонты которой доступны для непосредственно изучения.

Вещественный состав земной коры

Химический состав земной коры отличается от более глубоких геосфер в первую очередь обогащённостью относительно лёгкими элементами – кремнием и алюминием.

Достоверные сведения имеются только о химическом составе самой верхней части земной коры. Первые данные о её составе были опубликованы в 1889 году американским ученым Ф. Кларком, как среднеарифметические из 6000 химических анализов горных пород. Позже, на основании многочисленных анализов минералов и горных пород, эти данные многократно уточнялись, но и сейчас процентное содержание химического элемента в земной коре называется кларком.


оло 99 % в составе земной коры занимают всего 8 элементов, то есть они имеют наибольшие кларки (данные об их содержании приведены в таблице). Кроме того, могут быть названы ещё несколько элементов, имеющих относительно высокие кларки: водород (0,15%), титан (0,45%), углерод (0,02%), хлор (0,02%), которые в сумме составляют 0,64%. На все остальные элементы, содержащиеся в земной коре в тысячных и миллионных долях, остаётся 0,33%. Таким образом, в пересчёте на окислы, земная кора в основном состоит из SiO2 и Al2O3 (имеет «сиалический» состав, SIAL), что существенно отличает её от мантии, обогащённой магнием и железом.

Вместе с тем, нужно иметь в виду, что приведённые выше данные о среднем составе земной коры отражают лишь общую геохимическую специфику этой геосферы. В пределах земной коры по составу существенно различается океанический и континентальный типы коры. Океаническая кора образуется за счёт поступающих из мантии магматических расплавов, поэтому в значительно большей степени обогащена железом, магнием и кальцием, чем континентальная.

Среднее содержание химических элементов в земной коры
(по Виноградову)


Химический элемент

Содержание, вес.%
(кларк)

Кислород

47,00

Кремний

29,5

Алюминий

8,05

Железо

4,65

Кальций

2,96

Натрий

2,5

Калий

2,5

Магний

1,87

Источник: popovgeo.sfedu.ru

С сайта http://popovgeo. *****/lecture_3#kora_sostav

Вещественный состав Земли

Вещественный состав мантии и ядра Земли
Вещественный состав земной коры
Эндогенные процессы минералообразования
Экзогенные процессы минералообразования

Вещественный состав мантии и ядра Земли

О вещественном составе глубинных зон прямых данных практически нет. Выводы базируются на геофизических данных, дополняемых результатами экспериментов и математического моделирования. Существенную информацию несут метеориты и фрагменты верхнемантийных пород, выносимые из недр глубинными магматическими расплавами.
Валовый химический состав Земли очень близок к составу углистых хондритов – метеоритов, по составу близких первичному космическому веществу, из которого формировалась Земля и другие космические тела Солнечной системы. По валовому составу Земля на 92% состоит всего из пяти элементов (в порядке убывания содержания): кислорода, железа, кремния, магния и серы. На все остальные элементы приходится около 8%.


Однако, в составе геосфер Земли перечисленные элементы распределены неравномерно — состав любой оболочки резко отличается от валового химического состава планеты. Это связано с процессами дифференциации первичного хондритового вещества в процессе формирования и эволюции Земли.
Основная часть железа в процессе дифференциации сконцентрировалась в ядре. Это хорошо согласуется и с данными о плотности вещества ядра, и с наличием магнитного поля, с данными о характере дифференциации хондритового вещества и с другими фактами. Эксперименты при сверхвысоких давлениях показали, что при давлениях достигаемых на границе ядра и мантии, плотность чистого железа близко к 11 г/см3, что выше фактической плотности этой части планеты. Следовательно, во внешнем ядре присутствует некоторое количество лёгких компонентов. В качестве наиболее вероятных компонентов рассматриваются РІРѕРґРѕСЂРѕРґ или сера. Так расчёты показывают, что смесь 86% железа + 12% серы + 2% никеля соответствует плотности внешнего ядра и должна находится в расплавленном состоянии при Р-Т условиях этого участка планеты. Твёрдое внутреннее ядро, представлено никелистым железом, вероятно, в соотношении 80% Fe + 20% Ni, что отвечает составу железных метеоритов.
Для описания химического состава мантии к сегодняшнему дню предложено несколько моделей.


смотря на имеющиеся между ними различия, всеми авторами принимается, что примерно на 90% мантия состоит из окислов кремния, магния и двухвалентного железа; еще 5 – 10% представлены окислами кальция, алюминия и натрия. Таким образом, на 98% мантия состоит всего из шести перечисленных окислов.

Источник: pandia.ru

Химические элементы. На Земле установлено около 300 химических элементов и их изотопов. Изотопы (греч. "исос" — равный, топос" — место) обладают теми же свойствами, зарядом ядра и порядковым номером, что и соответствующий химический элемент, но отличаются от него атомным весом.

В 1889 г. американский геохимик Фрэнк Кларк впервые определил средние содержания химических элементов в земной коре. В честь него русский академик А.Е.Ферсман предложил называть "кларками" средние содержания химических элементов в земной коре.


Исследователи приводят разные данные о химическом составе земной коры. Наиболее распространенными элементами являются: кислород (46,6-49,1% мас.), кремний (26,0-29,5%), алюминий (7,45-8,14), железо (4,20-5,00), кальций (2,71-3,63), натрий (2,01-2,83), калий (2,35-2,59) и магний (1,79-2,35%). На долю остальных элементов приходится менее 1%. В природе встречаются участки, в пределах которых фактическое содержание того или иного химического элемента существенно выше его кларкового значения. Такие участки исследуются геологами с целью выявления месторождений полезных ископаемых.

Химический состав Земли не постоянен. С одной стороны, земная кора непрерывно пополняется космическим веществом. Оно выпадает на Землю в виде метеоритов и космической пыли. С другой стороны, сама Земля отдает в мировое пространство часть своего вещества. Например, — гелий, неон, возможно, водород, азот и другие газообразные элементы и соединения.

Кроме того, некоторые химические элементы, например радиоактивные, со временем изменяются. Так, уран и торий, распадаясь, превращаются в устойчивые элементы — свинец и гелий. Это дает основание предполагать, что в минувшие геологические эпохи кларки урана и тория были, очевидно, значительно выше, а кларки свинца — ниже, чем сейчас. По-видимому, это относится и ко всем другим элементам, подверженным превращениям.

Изотопный состав некоторых химических элементов со временем меняется. Изотоп урана U238 имеет период полураспада (в годах), равный 4,5 ·109, а U235 — 7,1 ·108 степени. По А.А.Саукову, два млрд. лет назад атомов изотопа U 235 на Земле было почти в шесть раз больше, чем сейчас.


Минералы . Однородные по составу, внутренней структуре и свойствам твердые химические соединения называются минералами (лат. "минера"- руда). В настоящее время известно около 4 тысяч минералов, имеющих кристаллическую (греч. "кристаллос" — лёд) структуру. Обычно они имеют форму многогранников (рис. 5). Некоторые исследователи относят к минералам и природные жидкие вещества — жидкую ртуть, воду, нефть.

Кристаллы обладают симметрией внешней формы. Атомы и ионы в кристаллической решетке располагаются в постоянных точках (узлах) — в строго определенном для каждого минерала порядке. Углы между гранями кристалла также всегда постоянны. Основными элементами кристаллической решетки являются центры, оси и плоскости симметрии.

Плоскость симметрии делит фигуру кристалла на две зеркально-подобные части. При повороте кристалла вокруг оси симметрии эта фигура совмещается сама с собой. Минимальный по объёму параллелепипед, отражающий все характерные особенности кристалла, называется "элементарной ячейкой". Основными кристаллографическими константами такой ячейки являются ребра и углы между ними. Изучение их взаимоотношений позволило установить 32 класса симметрии кристаллов.

Каждый кристалл ограничен гранями одной или нескольких простых форм. Среди них по степени симметрии выделяют семь сингоний (греч. "син" — вместе, "гониа" — угол). Высшая сингония — к у б и ч е с к а я. В ней ребра кристаллов расположены под прямыми углами по трем осям координат и равны между собой. К низшим сингониям относятся р о м б и ч е с к а я, м о н о к л и н н а я, т р и к л и н н а я. Они характеризуются неравенством ребер, прямыми (ромбическая) или не равными 90° углами. Средние — это т е т р а г о н а л ь н а я (ребра по двум осям равны, все углы прямые), г е к с а г о н а л ь н а я (ребра по двум осям равны, два угла прямые, один равен 120°) и т р и г о н а л ь н а я (все ребра равны, углы не равны 90°) сингонии.

Подсчитано, что около 38% минералов кристаллизуется в триклинной и моноклинной, 23% — в ромбической, 10% — в тригональной , 7,5% — в гексагональной, 9,5% — в тетрагональной, 12% — в кубической сингониях.

Внутреннее строение и химический состав минералов определяют их физические свойства. Это — плотность, теплопроводность, электропроводность, радиоактивность, а также механические, оптические, люминесцентные, магнитные и др. свойства.

Минералы отличают друг от друга по их внешним постоянным диагностическим признакам. Таковыми являются: облик кристаллов, цвет минерала, цвет черты, а также такие механические свойства, как спайность, твердость и др.

Облик кристаллов — это их форма. Различают кристаллы, вытянутые в одном направлении (призматические, столбчатые, игольчатые, волокнистые); вытянутые в двух направлениях (таблитчатые, пластинчатые, листоватые, чешуйчатые) и одинаково развитые по трем измерениям — изометричные (куб, октаэдр и др.).

Цвет обычно постоянный признак минерала. Но иногда один и тот же минерал бывает окрашен в различные цвета. Например, кварц бесцветен (горный хрусталь). Но некоторые разновидности его окрашены в фиолетовый (аметист), золотистый (цитрин), дымчатый (раухтопаз) и черный (морион) цвета. Такая окраска зависит от посторонних примесей. Если разрезать длинный кристалл турмалина вдоль оси, то он окажется послойно окрашенным в самые разнообразные цвета: розовые, зеленые, голубые, бурые, черные.

Цветом черты минерала называется цвет следа, остающегося на матовой шероховатой поверхности фарфоровой пластинки, оцарапанной каким-нибудь минералом. Обычно цвет черты совпадает с цветом самого минерала. Но иногда между ними наблюдается резкое отличие. Например, черный гематит имеет красную черту, а соломенно-желтый пирит — черную.

Спайность — это свойство минералов раскалываться по ровным плоскостям в определенных кристаллографических направлениях. Оно обусловлено строением кристаллической решетки минералов. Различают следующие виды спайности: весьма совершенную, совершенную, среднюю и несовершенную. Весьма совершенной спайностью обладают такие минералы, как слюды, хлорит и др. Их кристаллы легко расщепляются. Кристаллы кальцита, флюорита, полевого шпата имеют совершенную спайность. Они раскалываются, образуя гладкие блестящие поверхности. На обломках минералов, обладающих средней спайностью (например, пироксенов), наряду с неровными поверхностями отчетливо видны и гладкие блестящие поверхности. В случае несовершенной спайности зерна минералов ограничены неправильными поверхностями, за исключением граней кристаллов (например, кварц, пирит). Число плоскостей спайности зависит от симметрии (сингонии) кристалла. Так, у сфалерита (кубическая сингония) имеется шесть разно-ориентированных плоскостей спайности. Минералы низших сингоний имеют спайность только в одном направлении. Например, весьма совершенная спайность слюды мусковита. Минералы с хорошей спайностью, легко раскалывающиеся на пластины, называются "шпатами" (термин шведского происхождения).

Твердость минералов обусловлена прочностью их кристаллической решетки. Одним из распространенных способов определения относительной твердости минералов является царапание исследуемого минерала острыми краями эталонных минералов "шкалы Мооса". Эта десятибалльная шкала предложена в 1811 г. немецким ученым Ф.Моосом. Твердость эталонных минералов в ней соответствует их номерам (табл. 1).

Таблица 1

Источник: studopedia.ru

 

Химические элементы. В конце прошлого столетия американский геохимик Франк У. Кларк (1847—1931) задался целью установить состав земной коры и, проанализировав около 6 000 горных пород, в 1889 г. впервые получил среднее содержание различных элементов. В его честь русский геохимик и минералог А. Е. Ферсман предложил среднее содержание химических элементов в земной коре называть кларками. Необходимо отметить, что термин «кларк» в настоящее время используется также и для количественной оценки среднего содержания химических элементов в атмосфере, гидросфере, живом веществе биосферы, Земле в целом, горных породах, космических объектах и т. п. Выражается в единицах массы (% , г/т и др.) или в атомных процентах.

Более поздние исследования показали, что, в целом, результаты Кларка были близки к истине.

Менее всего земная кора содержит инертных газов — гелия, неона и радона, что связано с их высокой подвижностью: они легко переходят в атмосферу, откуда рассеиваются в космическом пространстве. Одновременно земная кора пополняется космическим веществом, выпадающим в виде метеоритов и космической пыли.

В настоящее время установлено, что более чем на 80 % земная кора состоит из кислорода, кремния и алюминия (табл. 2.8).

 

Таблица 2.8. Кларки наиболее распространенных химических элементов

Химический элемент Кларк, % Химический элемент Кларк, %
наименование символ   Наименование Символ      
Кислород О 46,6—49,1 Натрий Na 2,01—2,83  
Кремний Si 26,0—29,5 Калий К 2,35—2,59  
Алюминий А1 7,45—8,14 Магний Mg 1,79—2,35  
Железо 4,20—5,00 Водород H до 1  
Кальций Са 2,71—3,63 И Т О Г О     более 99%  
                   

 

Со временем некоторые химические элементы, в частности радиоактивные, трансформируются. На этом основании предполагают, что кларки урана и тория в минувшие геологические эпохи были значительно выше, а свинца — ниже, чем сейчас. Это относится ко всем элементам и изотопам, подверженным изменениям. По А. А. Саукову, 2 млрд лет назад атомов изотопа U235, имеющего период полураспада 7,1 • 108 лет, на Земле было в 6 раз больше, чем сейчас.

Кларки химических элементов в современных горных породах следующие: в среднем в 1 м3 содержится железа 130 кг, алюминия 230 кг, меди 0,26 кг, олова 0,1 кг. В природе встречаются участки, где фактическое содержание того или иного химического элемента значительно выше его кларкового значения. Такие участки геологи исследуют с целью поиска месторождений полезных ископаемых.



Минералы. Химические элементы земной коры образуют естественные соединения, состоящие из одного, но чаще всего из нескольких элементов. Минералы (от лат. minera — руда) — однородные по составу, внутренней структуре и свойствам твердые химические соединения. Иногда к минералам относят и жидкие природные вещества — жидкую ртуть, воду, нефть.

Известно более 3 тыс. минералов, большинство из которых являются кристаллами и обычно имеют форму многогранников. В строении земной коры существенную роль играют всего несколько десятков минералов, называемых породообразующими. Наиболее распространены из них — полевые шпаты (55 %), иные силикаты (15 %), кварц (12 %), различные виды слюды (3 %), магнетит и гематит (3 %).

Минералы отличаются друг от друга по внешним признакам, к которым относят облик кристаллов: цвет самого минерала, цвет его черты, твердость, плотность, спайность — и др., а также химическому составу и структуре. Цвет черты — цвет следа, остающегося на матовой шероховатой поверхности фарфоровой пластины, оцарапанной каким-нибудь минералом. Обычно он совпадает с цветом самого минерала, но иногда резко отличается. Так, черный гепатит имеет красную черту. Под спайностью понимают способность минералов раскалываться по ровным плоскостям в определенных кристаллографических направлениях.

Чем выше природный кларк химического элемента, тем больше минералов, в которые входит этот элемент. Кислород встречается почти в половине известных минералов. Так, большое количество химически связанного кислорода находится в силикатах (от лат. silicis — кремень), относящихся к одному из важных классов минералов.

Горные породы. В земной коре минералы группируются в естественные ассоциации — горные породы. Выделяют магматические, осадочные и метаморфические породы.

Магматические (изверженные) горные породы. Они образуются при остывании расплавленных магм, поднимающихся из глубин Земли к ее поверхности. Различают глубинные породы, если магма застыла на глубине, и излившиеся, если остывание произошло уже на поверхности. Магматические породы состоят преимущественно из силикатов и алюмосиликатов, наиболее важными компонентами которых являются кремнезем и глинозем. Дальнейшая классификация ведется, прежде всего, в зависимости от содержания в породе кремнезема — ангидрида кремниевой кислоты (табл. 2.9).

 

Таблица 2.9. Деление магматических пород по содержанию диоксида кремния

 

Породы Содержание SiO, % Характерные породы  
      Глубинные Излившиеся
  Ультраосновные Менее 40 Дунит, пироксенит, перидотит  
  Основные 40—52 Габбро Базальт, долерит  
  Средние 52—65 Диорит Андезит  
  Кислые Более 65 Гранит, гранодиорит Дацит, липарит  
                       

 

Ультраосновные и основные породы содержат много оснований (соединений кальция, магния, железа и др.) и бедны кремнекислотой.

Осадочные горные породы. Они образуются путем переотложения на поверхности Земли или на дне морей, озер, болот, рек продуктов разрушения различных коренных пород. Ими покрыто более 75 % поверхности континентов. Осадочные породы накапливались и уплотнялись иногда миллионы лет. С ними связаны такие важнейшие полезные ископаемые, как нефть и природный газ, уголь, железо, алюминий, золото и др.

В зависимости от происхождения осадочные породы делят на обломочные, глинистые, химические и биохимические.

Обломочные породы. Это продукты механического разрушения коренных горных пород. Их классифицируют по размерам обломков (в мм):

грубообломочные породы ………………….. более 1

песчаные породы ……………………………….. 0,1—1,0

алевритовые фракции ………………………… 0,01—0,1

Обломочные породы могут быть разделены на рыхлые и сцементированные, а также на угловатые и окатанные (округленные).

Угловатые грубообломочные породы — древса (1—10 мм), щебень (10—100 мм), глыбы (более 100 мм), а округленные — гравий, галька, валуны.

Рыхлые песчаные породы — пески, а сцементированные — песчаники.

Алеврит (от греч. aleuron — мука) — разновидность рыхлой осадочной горной породы, по составу является промежуточной между песчаными и глинистыми породами. Размер главной массы зерен 0,01—0,1 мм.

Глинистые породы. Они состоят из мельчайших минеральных частиц размерами менее 0,01 мм и содержат свыше 30 % тонкодисперсных частиц размером менее 0,001 мм. По минеральному составу глины резко отличаются от типичных обломочных пород, они состоят преимущественно из кремнезема и глинозема.

Глины обладают пластичностью и низкой водопроницаемостью, благодаря которой они играют роль водоупорных горизонтов подземных вод.

Химические и биохимические породы. Они образуются в результате химических реакций или выпаривания либо при косвенном участии биологических организмов, а также при концентрации их тел и скелетов. К данной группе относятся такие широко известные породы, как бокситы, фосфориты, бурые железняки, известняки, мел, доломиты, гипс, бурые и каменные угли, горючие сланцы и др.

Метаморфические горные породы. Они образуются путем глубокого преобразования магматических и осадочных пород под действием огромных давлений и высоких температур на большой глубине. В результате получаются породы, отличающиеся от исходных минералогическим составом.

К метаморфическим породам относятся твердые глинистые и слюдянистые сланцы (получающиеся из мягкой сланцевой глины), мрамор (из известняков), кварциты (из песчаников), яшмы, серпентиниты (из ультраосновных пород) и др. Эти породы обычно более устойчивы к выветриванию, чем другие.

Геологические циклы. Взаимное расположение и очертание континентов и океанского дна постоянно изменяются. В пределах верхних оболочек Земли происходит непрерывная постепенная замена одних пород другими, называемая большим круговоротом вещества. Геологические процессы образования и разрушения гор являются величайшими энергетическими процессами в биосфере Земли.

 

Вещественный состав земли

 

Рис. 2.16. Схема геологического цикла Земли (по Дж. Андерсону)

 

В пределах литосферы горные породы постоянно, хотя и очень медленно, перемещаются, образуя геологические циклы (рис. 2.16). Геофизические процессы (извержение магмы, вулканическая активность и поднятие крупных блоков земной коры) осуществляются за счет теплоты, выделяющейся в результате распада в недрах Земли изотопов калия, урана и тория. Процессы, протекающие на земной поверхности, — эрозия, выветривание и перенос осадков, — происходят за счет энергии Солнца, трансформированной в кинетическую энергию ветра и водных потоков, а также в тепловую энергию.

Наиболее быстро движение в геологическом цикле происходит при извержении вулканов и излиянии лав в районах рифтовых долин. Круговорот осадочного вещества осуществляется за десятки и сотни миллионов лет. В экологическом масштабе времени минералы, отложившиеся в глубоководных осадках, можно считать полностью выведенными из круговорота.

 

Источник: studopedia.su

Строение Земли. Процессы, происходящие в глубинах Земли, влияют на образование горных пород, на землетрясения и вулканические извержения, на медленные колебания поверхности суши и морского дна и на другие явления, преобразующие географическую оболочку. Поэтому, изучая физическую географию, необходимо знать строение Земли и природу ее внутренних слоев.

При современных технических средствах мы не в состоянии непосредственно наблюдать и изучать глубинные слои Земли. Самая глубокая буровая скважина на Земле не достигает 8 км. Существуют проекты бурения до 10—15 км. Более глубокие слои изучаются косвенными геофизическими методами, на основании которых можно строить лишь более или менее вероятные гипотезы. Геофизические методы основаны на изучениях упругих колебаний и физических полей Земли.

Наиболее важным является сейсмический метод, который по скорости распространения в Земле упругих волн, вызванных землетрясением или искусственными взрывами, дает возможность судить об упругих свойствах вещества, залегающего на той или иной глубине, и косвенно о других свойствах вещества. Сейсмический метод основан на следующем.

От места механического толчка исходят волны сжатия — растяжения (продольные) и волны сдвига (поперечные). Последние не возникают в жидкости и газе. Сейсмические волны проходят через земные глубины и, встречая на своем пути среду с различными физическими свойствами, преломляются и изменяют скорость распространения. Направление и скорость распространения сейсмических волн регистрируются приборами — сейсмографами. На основании многочисленных измерений установлено, что скорость распространения сейсмических волн меняется скачкообразно на определенных глубинах. Это связано прежде всего со скачкообразным изменением плотности слоев Земли.

Отсюда можно сделать важный вывод, что Земля имеет концентрическое строение. Глубины резкого изменения скорости волн называются сейсмическими зонами раздела первого порядка. Первая зона раздела, называемая зоной Мохоровичича, находится на средней

Внутреннее строение Земли

глубине 33 км, вторая — на средней глубине 2900 км. Эти зоны делят Землю на три основных слоя: кору, мантию и ядро (рис. 6). Глубины, на которых скорости сейсмических волн меняются менее резко, называются сейсмическими зонами раздела второго порядка. Они делят мантию на верхнюю и нижнюю и ядро на внешнее и внутреннее.

Кора — верхняя твердая каменная оболочка Земли. Горные породы, слагающие кору, включают все химические элементы таблицы Менделеева. Однако большинство элементов содержится в ничтожном количестве. Основными элементами коры являются: О, Si, A1, из остальных преобладают Fe, Ca, Na, К и Mg.

Сейсмические волны и гравиметрические данные указывают на изменение с глубиной физических свойств горных пород и на неоднородность строения коры, которая отражается в планетарном рельефе земной поверхности. По физическим свойствам кору делят на три слоя: осадочный, гранитный и базальтовый. По мощности и строению выделяют два основных типа коры: материковый и океанический; в промежуточной полосе между ними кора переходного типа. Материковая кора имеет среднюю толщину 35 км. Под древними равнинами ее толщина 30 км, в горных странах ее толщина колеблется от 40 до 80 км в зависимости от происхождения и древности гор. Толщина океанической коры в среднем 5 км.

Материковая кора состоит из трех слоев: осадочный мощностью 0—15 км, гранитный средней мощностью 10 км и базальтовый средней мощностью 20 км. Океаническая кора состоит из двух слоев: осадочный мощностью менее 1 км и базальтовый мощностью 4—5 км (рис. 7). Гранитный слой состоит в основном из гранита и других так называемых кислых пород, базальтовый — из базальта и других так называемых основных пород (см. геоморфологию). Плотность

Строение земной коры

коры увеличивается с глубиной от 2,7 до 3,5 г/смм3. Температура в верхнем слое Земли с глубиной возрастает в среднем на 3° каждые 100 м. Земная кора постепенно выплавлялась из вещества мантии в процессе длительной физико-химической и гравитационной его дифференциации. При этом выделились гранитный и базальтовый слои земной коры, осадочный же слой возник позднее в результате их разрушения. Возраст земной коры в различных ее участках неодинаков.

В жизни земной коры происходит непрерывное формирование и развитие больших прогибов и поднятий. В подвижных так называемых геосинклиналъных зонах прогибы и поднятия имеют удлиненную форму порядка 50—100 км, а скорость вертикального движения порядка 1 см в год. Амплитуда вертикальных движений измеряется в этих случаях многими километрами. Такие поднятия и прогибы приводят к контрастному расчленению земной коры на крупные формы рельефа (горы и впадины). В областях стабильных, так называемых платформенных, поднятия и прогибы имеют округлые или неправильные очертания, их поперечник измеряется сотнями километров, а скорость вертикальных движений измеряется долями миллиметра в год. Это области малых контрастов рельефа. Причина описанных вертикальных движений кроется в мантии Земли.

Некоторые небольшие поднятия и опускания земной коры, охватывающие малые площади, измеряемые несколькими километрами, и такие же локальные деформации горных пород в виде небольших складок или неглубоких разрывов вызываются процессами, протекающими в земной коре. Одним из таких процессов является гранитизация, т.е. превращение осадочных и метаморфических пород в граниты путем их переплавления. При гранитизации происходит увеличение объема пород на 10-15%. Находящиеся в пластичном состоянии граниты, залегающие в виде линз ад других пород на глубине 10-15 км, оказываются в неустойчивом состоянии; под тяжестью вышележащих пород они выжимаются из одних мест и нагнетаются в другие, вызывая деформацию в залегании покрывающих слоёв.

Мантия – подкоровая оболочка Земли, отличающаяся от коры главным образом физическими параметрами. Она состоит из окислов магния, железа и кремния. Давление в мантии, возрастая с глубиной, достигает на границе ядра 1,3 млн. атмосфер Плотность мантии увеличивается от 3,5 в верхних слоях до 5,5 г/см3 на границе ядра. Температура вещества мантии соответственно увеличивается примерно от 500° до 3800°. Несмотря на высокую температуру мантия находится в твердом состоянии. Граница между верхней и нижней мантией находится на глубине 900-1000 км от земной поверхности.

Верхняя мантия состоит из перидотита – ультраосновной породы с повышенным содержанием магния и железа и бедной кремнеземом. В верхней мантии возникают разрывы, сопровождающиеся сдвигами: здесь происходят процессы, определяющие стабильность одних и подвижность других участков земной коры. На глубине 100-200 км под материками и 50-400 км под океанами расположена зона размягчения и относительной подвижности материала -астеносфера, или волновод.Здесь температура растет быстрее плотности и может «догнать» точку плавления. Достаточно небольшого снижения давления, чтобы вещество астеносферы расплавилось, образуя магму, и устремилось вверх. В результате неоднократного продвижения вверх магма может излиться на поверхность. Разломы в верхних слоях мантии облегчают всплывание магмы – астенолитов. Они определяют линейное расположение всплывающих астенолитов. Одни астенолиты поднимаются до поверхности и образуются внутри коры. Они приносят с собой глубинное тепло и сильно прогревая кору, вызывают в ее породах явление метаморфизма вплоть до образования гранитов. Активный приток материала и тепла из верхней мантии в кору характерен для подвижных зон геосинклиналей. По мере исчерпания внутренней энергии в данном месте подвижность коры ослабевает, и геосинклиналь сменяется платформенным состоянием с сравнительно медленными вертикальными движениями коры. Однако в силу еще не установленных причин может наступить новая «активизация» движений в платформенных областях.

Ядро – центральная часть Земли не совсем ясной химической и физической природы. С начала XX в. существует гипотеза железного ядра; её современная модификация разделяется некоторыми геофизиками и сейчас. Больше сторонников имеет гипотеза силикатного ядра. Однако независимо от состава химических элементов для ядра, в силу особых физических условий, характерно полное вырождение химических свойств вещества. Температура ядра порядка 4000°, давление в центре Земли более 3,5 млн. атмосфер. При таких условиях вещество переходит в так называемую металлическую фазу, электронные оболочки атомов разрушаются и образуется электронная плазма отдельных химических элементов. Вещество становится более плотным и насыщенным свободными электронами. Огромные кольцевые вихри свободных электронов, возникающие в ядре, порождают, вероятно, постоянное магнитное поле Земли.

Граница между внешним и внутренним ядром находится на глубине около 5000 км от поверхности Земли. Внешнее ядро жидкое — через него не проходят поперечные волны. Плотность внешнего ядра в верхней части около 10,0 г/см. Внутреннее ядро твердое – продольные волны, проходя черев него, порождают в нем поперечные волны. Плотность внутреннего ядра доходит до 13,7 г/см3.

 

—Источник—

Богомолов, Л.А. Общее землеведение/ Л.А. Богомолов [и д.р.]. – М.: Недра, 1971.-  232 с.

 

Предыдущая глава ::: ::: Следующая глава

Источник: big-archive.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.