ТЕМА. 2. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И СОСТАВ ВНЕШНИХ ОБОЛОЧЕК ЗЕМЛИ.

                       2. 1. Происхождение Земли.

Планета Земля входит в состав Солнечной системы и вместе с дру­гими планетами: Меркурием, Венерой, Марсом, Юпитером, Сатурном, Ураном, Неп­туном и Плутоном равномерно вращается с запада на восток вокруг Централь­ного тела системы - Солнца.

Солнце с его планетами входит в систему звезд, объединяемых под названием Галактика. Количество звезд в Галактике  около 100 млрд. Вместе с остальными звездами Солнце вращается вокруг центра Галак­тики; период обращения - около 224х10⁶ лет (224 млн. лет).

Спектральный анализ лучей Солнца, отдаленных звезд и непос­редственный химический анализ падающих на Землю из Мирового прос­транства метеоритов показывают, что все планеты Солнечной, а равно и других систем безграничного во времени и в пространстве мира, сос­тоят из одних и тех же химических элементов, из одной и той же ма­терии. Материя же вечна, она не творится и не исчезает, а постоянно видоизменяется, переходя из одного состояния и формы в другие.

Представление о Земле как о части единой и стройной Вселенной зародилось уже в глубокой древности.

Еще древний философ Гераклит указывал на то, что « мир, еди­ный из всего, не создан никем из богов и никем из людей, а был, есть и будет вечно живым огнем, закономерно воспламеняющимся и закономерно угасающим ».

На протяжении многих веков вопрос о происхождении Земли оста­вался монополией философов, так как фактический материал в этой об­ласти почти полностью отсутствовал. Первые научные гипотезы относи­тельно происхождения Земли и солнечной системы, основанные на астро­номических наблюдениях, были выдвинуты только лишь в 18 веке. С тех пор не переставали появляться все новые и новые теории, соответственно росту наших космогонических представлений.

Первой в этом ряду была знаменитая теория , сформулированная в 1755 году немецким философом Эммануилом Кантом. Кант считал, что солнечная система возникла из некой первичной материи, до того сво­бодно рассеянной в космосе. Частицы этой материи перемещались в раз­личных направлениях и, сталкиваясь друг с другом, теряли скорость. Наиболее тяжелые и плотные из них под действием силы притяжения сое­динялись друг с другом, образуя центральный сгусток - Солнце, которое, в свою очередь, притягивало более удаленные мелкие и легкие части­цы.

Таким образом, возникло некоторое количество вращающихся тел, траектории которых взаимно пересекались. Часть этих тел, первона­чально двигавшихся в противоположных направлениях, в конечном итоге были втянуты в единый поток и образовали кольца газообразной материи, расположенные приблизительно в одной плоскости и вращающиеся вокруг Солнца в одном направлении, не мешая друг другу. В отдельных кольцах образовались более плотные ядра, к которым постепенно притягивались более легкие частицы, формируя шаровидные скопления материи.

В 1796 г. французский математик и астроном Пьер-Симон Лаплас, выдвинул теорию, несколько отличную от предыдущей. Лаплас, полагая, что Солнце существовало первоначально в виде огромной раскаленной газообразной туманности (небулы) с незначительной плотностью, но за­то колоссальных размеров. Эта туманность, согласно Лапласу, первона­чально медленно вращалась в пространстве. Под влиянием сил гравита­ции туманность постепенно сжималась, причем скорость ее вращения увеличивалась. Возрастающая в результате центробежная сила придавала туманности уплощенную, а затем и линзовидную форму. Масса вещества, скопившегося в экваториальной зоне туманности, отделилась от осталь­ного тела и образовала кольцо. От продолжавшей вращаться туманности последовательно отделялись все новые кольца, которые, конденсируясь в определенных точках, постепенно превращались в планеты и другие тела солнечной системы. В общей сложности от первоначальной туманнос­ти отделилось десять колец, распавшихся на девять планет и пояс асте­роидов - мелких небесных тел. Спутники отдельных планет сложились из вещества вторичных колец, оторвавшихся от раскаленной газообраз­ной массы планет.

Вследствие продолжавшегося уплотнения материи температура ново­образованных тел была исключительно высокой. В то время и наша Земля по Лапласу представляла собой раскаленный газообразный шар, све­тившийся подобно звезде. Постепенно этот шар остывал, его материя переходила в жидкое состояние, а затем, по мере дальнейшего охлаждения, на его поверхности стала образовываться твердая кора. Эта кора была окутана тяжелыми атмосферными парами, из которых при остывании конденсировалась вода.

Эти две теории взаимно дополняли друг друга, поэтому в литерату­ре они часто упоминаются под общим названием как гипотеза Канта-Лапласа. Поскольку наука не располагала в то время более приемлемыми объяснениями, у этой теории было в XIX веке множество последователей. Ф. Энгельс высоко оценивал значение этих гипотез, так как впервые в естествознание ими был введен принцип развития и процессы, происхо­дившие в природе, рассматривались с этой точки зрения, исключая "божественное начало".

В дальнейшем, с развитием науки, в гипотезе Канта-Лапласа выяви­лись крупные противоречия. Например, эта гипотеза не могла объяснить распределение масс и моментов движения в солнечной системе и др. В связи с этим был высказан ряд новых идей.

Среди последующих космогонических теорий можно найти и теорию "катастроф", согласно которой" наша Земля обязана своим образованием некоему вмешательству извне, например, близкой встрече Солнца с ка­кой-то блуждающей звездой, вызвавшей извержение части солнечного вещества. В результате расширения раскаленная газообразная материя быстро остывала и уплотнялась, образуя большое количество маленьких твердых частиц, скопления которых были чем-то вроде зародышей планет.

 Группа исследователей под руководством академика О.Ю. Шмидта (1891-1956) разработала и опубликовала в 1944 г. новую гипо­тезу холодного происхождения планет Солнечной системы, в том числе и Земли.

По гипотезе О.Ю. Шмидта, Солнце на своем пути пересекало одно из пылевых облаков, имеющих распространение в Галактике. При выходе из облака Солнце захватило значительную часть пылевой материи, и этот рой частиц начал вращаться вокруг него. В пылевой массе со временем образовались участки сгущенной и уплотненной материи, которые затем превратились в планеты Солнечной системы. Таким образом, Земля обра­зовалась путем постепенного сгущения и последующего уплотнения холод­ного твердого пылевидного космического материала.

Однако, отдельные положения теории О.Ю. Шмидта критикуются В.Г. Фесенковым. Академик В.Г. Фесенков считает, что в недрах Солнца протекали и протекают ядерные процессы разного типа, что могло приводить к сжатию Солнца и последующему резкому увеличению скорос­ти вращения. В результате этого в далеком прошлом могли выделиться и образоваться отдельные планеты. По В.Г.Фесенкову, химический состав планет Солнечной системы и исходного космического вещества должен быть близким. Все планеты этой системы образовались, примерно, в одно и то же время, не позднее Солнца.

Возраст Земли, как планеты, судя по возрасту древнейших минера­лов и метеоритов, определяется приблизительно в 5 млрд. лет. Изуче­ние планет Солнечной системы приобретает для человека все большое практическое значение.

Огромные успехи, достигнутые разными странами в запуске спутни­ков Земли, комических ракет и кораблей с человеком на борту, первый выход человека в космос в лице советского космонавта Алексея Леонова - все это открыло путь для практического изучения космоса.

Современные замеры длины дуг земной поверхности показали, что Земля имеет форму, близкую шару, сплюснутому у полюсов. Такая форма Земли получила название сфероида.

Экваториальный диаметр Земли равен 12756 км, а земная ось состав­ляет 12714 км. Следовательно, сплюснутость земного сфероида выража­ется в 42 км. Точные измерения, выполненные в последнее время, показали, что в действительности имеются некоторые отклонения истинной формы Земли от сфероида, связанные с наличием на Земле глубоких впадин в океанах и больших возвышенностей на суше. Такая искривлен­ность поверхности не позволяет приписывать Земле какую-либо правиль­ную геометрическую форму. В результате детальных исследований ученых появилась возможность учитывать сложную форму Земли. Своеобразная искривленная форма Земли получила название геоида.

2. 2. Строение Земли и ее оболочек.

Внутреннее строение Земли всегда интересовало человечество и служило предметом исследований многих ученых от древнейших времен до наших дней. Несмотря на это, достоверных данных о внутреннем строении Земли имеется еще весьма мало, изучение и точное знание строения Земли имеет важное научное и практическое значение.

Тело Земли имеет концентрическое строение и состоит из ядра и ряда оболочек, плотность которых скачкообразно увеличивается от по­верхности Земли к ее центру. Концентрические оболочки, слагающие Землю, получили название геосфер.

Наружной геосферой Земли является атмосфера, представ­ляющая собой воздушную оболочку, мощность которой примерно равна 20000 км. Атмосферу, учитывая меняющийся ее состав, разделяют на три оболочки: тропосферу, стратосферу и ионосферу (рис.2. 1.).

Рис. 2.1. Схема строения Земли.

Тропосфера - приземный слой атмосферы, мощность кото­рого в средних широтах 10- 12 км. В тропосфере содержится почти 9/10 всей массы газов, составляющих атмосферу, и почти весь водяной пар.

       С увеличением высоты (удалением от поверхности Земли) происходит разное понижение температуры. На высоте 10-12 км в среднем темпера­тура равна - 55° С. В этом слое происходит образование облаков, и сосре-дотачиваются тепловые движения воздуха, включая также все гео­логические процессы, протекающие над земной поверхностью (например, перенос веществ при извержениях вулканов, эоловые и другие процес­сы). У поверхности Земли наиболее высокая температура была отме­чена в Ливии (+58°С в тени) и в районе Термеза (+50° С в тени). Наиболее низкая температура зафиксирована в Антарктиде (-87°С) и в Якутии (-71°С).

Стратосфера- следующий за тропосферой слой, достигающий 80-90 км высоты. Благодаря присутствию озона в стратосфере обнаруживается повышение температуры до 50°С в слоях на высоте 30 - 55 км. На высоте 80-90 км температура снова понижается до - 60° - 90° С.

Ионосфера- самая верхняя и наиболее удаленная от поверхности Земли часть атмосферы. На высоте 20 тыс. км она посте­пенно переходит в межпланетное пространство.

Приборами, установленными на искусственных спутниках Земли, выявлено, что плотность верхних слоев атмосферы в 5 - 10 раз выше, чем это предполагалось ранее. Спутниками было зафиксировано повы­шение температуры до нескольких сот градусов на высоте 325 км.

Гидросфера- представляет собой водную оболочку Земли. Она включает все природные воды морей и океанов, рек, озер, а так­же материковые льды Арктики и Антарктиды. С водами гидросферы тесно связаны и подземные воды.

В отличие от других геосфер гидросфера не образует сплошной оболочки Земли. Она покрывает 70,8 % земной поверхности и образует Мировой океан. Средняя глубина гидросферы 3.75 км, наибольшая глу­бина достигает 11,5 км (Марианская впадина).

Биосфера как сфера жизнедеятельности организмов, свя­зана с поверхностью Земли. Биосфера находится в постоянном взаимо­действии с литосферой, гидросферой и атмосферой.

Растения (свыше 600 тыс. видов) и животные (свыше I млн. видов), обитающие на суше и в океане даже на глубине да 10 км, благо­даряих жизнедеятельности оказывают влияние на ряд важных геологи­ческих процессов.

Прежде всего, следует указать на почвообразовательный процесс, происходящий в результате сложных биохимических реакций.      

Наружная твердая геосфера Земли называется литосферой. Часто этот термин заменяется термином - земная кора (рис. 2. I.).

Твердая оболочка Земли различными методами исследованана глу­бину 15 - 20 км. Непосредственному же изучению при помощи буровых скважин подверглась толща лишьдо глубины 11 км.

Третья часть поверхности земной коры приходится на выступы литосферы, образующие материки. Наиболее высокой точной материков является гора Эверест в Гималаях, высота которой достигает 8800 м. Средняя же высота материковых выступов - всего около 700 м над уровнем моря. Часто высокие горы располагаются вблизи глубоких океанических впадин.

Литосфера состоит из разнообразных пород и минералов, т.е. определенных химических соединений или, реже, самородных химических элементов, отличающихся однородностью состава и физических свойств. В составе литосферы преобладают кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, образующие разнообразные горные породы.

Между атмосферой , гидросферой и литосферой существует посто­янное взаимодействие, в результате которого происходят существенные изменения в составе и строении наружной оболочки земной коры.

В литосфере под верхней толщей осадочных пород в нисходящем порядке выделяют гранитную и базальтовую обо­лочки,

Гранитная оболочка наибольшей мощностью (до 50км) находится под современными горными хребтами (Памир, Альпы и др.). Под океаническими впадинами (дно Атлантичес­кого и Индийского океанов) этаоболочка местами совершенно отсут­ствует или имеет малую толщину. Гранитная оболочка имеет плотность 2,6+ 2.7 г/см³ и сложена породами гранитногосостава.

Базальтовая оболочка располагается непос­редственно под гранитной оболочкой. Мощность ее достигает 30км под материко­выми равнинами (платформами). Плотность базальтовой оболочки 2,8-2,9 г/см³, поскольку она сложена основными породами (базальты и др.) бедными кремнекислотой.

Вследствие преобладания в гранитной и базальтовой оболочках кремния и алюминияих объединяют в геосферу, называемую сиалической, или сиаль (от слова silicium, что означает - кремний). Общая мощность литосферы, включая и сиалическую оболочку, в среднем составляет 50-70 км.

Под литосферой залегает перидотитовая обо­лочка, состоящая из пород еще более основных (т.е. меньшим со­держанием кремнекислоты),чем в базальтовой оболочке. Плотность пород этой геосферы в верхней части равна 3,2 - 3,4 г/см³, в нижних слоях 4.0 - 4,5 г/см³ . Ее верхний часть очень активна, содержит расплавленные массы. Здесь зарождается сейсмические и вулканические явления, горообразовательные процессы.

Перидотитовая оболочка распространена до глубины 1200 км и охватывает земной шар сплошь, без перерывов. Ниже располагается промежуточная оболочка до глубины 2900 км, Плотность ее 5,3 - 6,5 г/см³.

Академик А.Е.Ферсман называл эту зону рудной геосферой, считая, что в нейв большом количестве содержатся чистые металлы, такие, как железо и никель.

Внутренняя часть Земли, и ее центральное ядро, начинается с глубины 2900 км и доходит до центра Земли, т.е. до глубины 6370км. Таким образом, радиус центрального ядра составляет 3470 км, а его плотность 9,0- 10,0 и11,0 г/см³ в самом центре. Предполага­ют, что ядро Земли имеет силикатный состав, и в нем со­держится железа не больше, чем в других внутренних геосферах (обо­лочках). Большая плотность ядра объясняется тем, что вещество здесь, находясь под весьма высоким давлением (3,5 млн. атм.), приобрело плотность металлов (рис.2.1.).

По современным представлениям, температура в верхней части центрального ядра Земли не превышает 2,0 - 2,5 тыс. градусов.

Большое давление в сочетания с высокой температурой в ядре Земли обуславливает особое упруго-вязкое состояние слагающего его вещества, которое по физическим свойствам приближается к жидкости.

Тепловой режим Земли.

Поверхность Земли получает тепло от Солнца. Количество энергии, приносимое в I минуту лучами Солнца на I см ² поверхности, постав­ленной перпендикулярно к ним (за пределами земной атмосферы), называется солнечной постоянной и равно 8.12 Дж. Всего в год Земля получает от Солнца. около 4,137х10²⁴ Дж, что составляет 99,5% всей энергии, поступающей в земную кору. За счет солнечного тепла прогреваются только самые верхние слои земной коры на глубину от 2 м на экваторе до 25 м в пустынях. Вторым источником является энергия распада радиоактивных веществ в недрах планеты. Температурный режим земной коры определяетсяне только поступлением тепла из двух источников, но и климатическими особеннос­тями местности.

В верхней части земной корм выделяют три зоны: сезонных ко­лебаний температуры, ее постоянства и нарастания температур (рис.2.2.).

     Изменение температур в зонесезонных колебаний определяется климатичес­кими условиями местности. Для средних широт харак­терна кривая «а» /летний период/ и кривая «б» /зимний период/.

В зимний период обра­зуется зона сезонного промерзания грунтов. Мощность ее зависит от климата, ти­па горных пород и других факторов и колеблется от нескольких сантиметров до 3 м и более.

     В районах с умеренно теплым климатом зона се­зонных изменений темпера­туры характеризуется толь­ко кривой «а». По мере углубления в недраЗемли влияние суточных и сезонных колебаний температу­ры уменьшается и на глубине, примерно, 15 - 40 м находится зона постоянной температуры, равная среднегодовой температуре для данной местности. В северном полушарии она равна + 15,5°С, а в южном  + 13,6°С.

В пределах зоны 5 температура с глубиной возрастает. Вели­чина нарастания температуры на каждые 100 м глубины называется геотермическим градиентом, а глубина, при которой температура повышается на один градус, называется геотермической ступенью. Средняя величина этой ступени составляет 33 м. В районах вулканической деятельности , где в недрах земли располагаются участки расплавленной магмы, величина геотермической ступени уменьшается до 5-7 м.

На территории Баку, например, она составляет 26 м, в Донбассе от 28 до 33 м, Харькове - 37,7м, Москве – З8,4 м и т.д.

Исследования последних лет показали, что на глубине 1000 м породы имеют различную температуру. Так, в Кривом Роге она составляет + 19,5°С, в Грозном около 9,7°С, в Москве на глубине 1630 м температура достигает + 41°С.

Закономерное нарастание температуры справедливо лишь до некоторой глубину. Нижеэтого уровня закономерность изменения температуры изучена еще недостаточно. О температуре глубо­ких зон земной корм в верхней мантии можно судить по темпера­туре лав вулканов. Она примерно равна +1500° С.

Породообразующие минералы.

Минералы - это природные тела, имеющие определен­ныйхимический состав и физические свойства, образующиеся в ре­зультатефизико-химических процессов, протекающихв земной коре. Большинство минералов твердые вещества, но встречаются также жидкие и газообразные.

В земнойкоре минералы встречаются самостоятельно, но чаще в составе горных пород. В земной коре содержится более 7000 минералов и их разно­видностей, но большинство из них встречается редко, и лишь около 100 минералов встречаются наиболее часто, входя в состав главней­ших горних пород. Эти минералы называют породообразую­щими.

     Каждый минерал обладает определеннымихимическими свойствами, имеет определенное внутреннее строение, какие-либо внешние признаки и характеризуется присущимиему особенностями.

Минералы образуется в результате разнообразных геологичес­ких процессов. Каждый минерал может существовать в природе лишь при определенных условиях, из которых главнейшее значение имеют температура и давление. При изменении этих условий минеральное тело либо разрушается, либо видоизменяется.

Условия, в которых образуютсяминерала в природе, отличаются большим разнообразием и сложностью. Приближенно эти условия можно разделить на: эндогенные, экзогенные и метаморфические.