Детская энциклопедия

Меню сайта











 

Внутреннее строение Земли.

Путешествие к центру Земли

Лето обычно открывает перед вами, наши юные читатели, большие возможности для са­мых интересных наблюдений в природе.

В овраге или на речном обрыве можно на­блюдать, как тонкий слой почвы с корнями растений переходит в более плотную земли­стую или щебенистую массу — грунт. В него еще проникают корни растений, а глубже обычно залегают напластования глин, песков или твердых каменных пород.

Эти разнообразные горные породы слагают самую верхнюю твердую оболочку

земного шара, или земную кору. В толще ее залегают сокровища недр: уголь, нефть, руды железа и других металлов, драгоценные и по­делочные камни. В поисках полезных ископа­емых люди уже тысячелетия назад научились проникать глубоко в земную кору. При этом рудокопы заметили, что, чем глубже горные выработки, тем выше в них температура. Кро­ме того, наблюдения за действующими вулка­нами привели человека к мысли, что на значи­тельной глубине горные породы находятся в расплавленном состоянии. Пытаясь объяснить

грозную деятельность вулканов, люди сложили о них много легенд. Древние греки считали вулканы владением бога огня Гефеста. Особен­ный интерес возбуждал вулкан Этна на о-ве Сицилия. Извержение Этны, по представлению греческого поэта Пиндара (V в. до н. э.), вызы­вает стоглавый Тифон (в древнегреческой ми­фологии — грозное огнедышащее чудовище, порожденное богиней земли Геей), заключенный в недра горы в наказание за то, что поднял восстание против Зевса.

Философ Эмпедокл (V в. до н. э.), ссылаясь на действующие вулканы и горячие источники, высказал мысль о расплавленном состоянии внутренних частей Земли. Эмпедокл изучал вулкан Этну, по склонам которого временами текли мощные потоки лавы, заливавшие окрестности на десятки километров. Он предпринял отчаянно смелое путешествие в глубь кратера Этны и погиб в жерле вулкана.

С той далекой поры человечество прошло большой путь развития. Накопилось много фактов, которые ученые начали обобщать в стройные гипотезы.

В науке XVIII в. господствовало представ­ление, что внутри земного шара находится огненно-жидкое ядро. Основываясь на этом предположении, ученые логично объясняли повышение температуры при опускании в недра Земли, а также вулканические явления. Однако стройное учение о происхождении и устрой­стве Земли было создано только в конце это­го века Кантом и Лапласом.

Немецкий философ Иммануил Кант, а не­сколько позднее французский астроном и ма­тематик Пьер Симон Лаплас предложили ги­потезу, в которой они пытались дать картину возникновения планет солнечной системы.

Кант полагал, что до образования солнеч­ной системы существовала туманность, состояв­шая из отдельных движущихся частиц. Столк­новения этих частиц между собой привели с течением времени к упорядочению движения. Вследствие сближения частиц и их сжатия туманность постепенно раскалялась. Враща­ющаяся раскаленная газовая туманность при­обрела сплюснутую форму и по своим размерам превосходила планетную систему. Затем при увеличении скорости вращения от туманности постепенно отделились слои вещества и обра­зовали ряд колец. Каждое из них под дейст­вием сил взаимного притяжения слагавших его частиц постепенно превратилось в шаро­видное тело — планету. Сначала планета была раскаленной, но потом в результате излучения тепла в мировое пространство стала остывать. Центральная часть туманности после сжатия и отделения от нее ряда колец стала Солнцем.

Согласно гипотезам Канта и Лапласа, зем­ное ядро должно быть огненно-жидким, а зем­ная кора — продукт остывания некогда огнен­но-жидкого шара.

Однако несколько позднее стали раздаваться, правда очень робко, голоса ученых, несоглас­ных с гипотезой Канта—Лапласа. К этому мень­шинству у нас в России принадлежал выдаю­щийся ученый академик В. И. Вернадский. Он считал, что Земля никогда не была огненно-жидкой. В настоящее время эта точка зрения принята наукой. Большинство современных гео­физиков и геологов отрицают стадию огнен­но-жидкого состояния Земли при ее образовании и объясняют разогрев земных оболочек в ос­новном процессами радиоактивного распада.

Интересная космогоническая1 гипотеза возникновения планет была разра­ботана коллективом советских ученых под ру­ководством академика О. Ю. Шмидта. По этой гипотезе планеты образовались из облаков космической пыли, которая обращалась неког­да вокруг Солнца. О. Ю. Шмидт считал, что такое пылевое облако вследствие столкновения его частиц должно было быстро преобразовать­ся в сплющенный слой, окружавший Солнце. Под влиянием сил взаимного притяжения этот слой превратился :в систему отдельных сгуст­ков, а в дальнейшем из них сформировались планеты. По предположению О. Ю. Шмидта,

Земля всегда была холодной, поэтому земная кора вовсе не «шлак», который появился на по­верхности раскаленной жидкой массы земного шара. Составная часть нашей планеты — земная кора — сначала была холодной и лишь впоследствии «тала нагреваться в результате различных, прежде всего радиоактивных, про­цессов.

Но не одни гипотезы помогают теперь уче­ным познавать внутреннее строение земного шара. Для этого разработаны очень точные геофизические2 методы исследования. Они основаны на изучении колебаний земной коры, возникающих при землетрясениях или искусственных взрывах. Их изучением занимает­ся особая ветвь геофизики, получившая наз­вание сейсмологии. При землетрясениях или искусственных взрывах в Земле возникают сейсмические волны. Линии, вдоль которых распространяются сейсмические коле­бания, называются сейсмическими лучами. Существуют два вида колебаний: продольные и поперечные.

Продольные волны распростра­няются в твердом теле от места взрыва или цент­ра землетрясения, вызывая последователь­ные сжатия и разрежения частиц вещества Земли, при этом частицы колеблются в направ­лении распространения волны. Поперечные волны— это колебания частиц в теле Зем­ли, происходящие перпендикулярно направле­нию сейсмического луча.

Очаги землетрясений находятся в глубинах земного шара, иногда в нескольких сотнях ки­лометров от поверхности. Сейсмические волны приходят на сейсмическую станцию и записы­ваются при помощи приборов, которые назы­ваются сейсмографами. При этом регистри­руются не только прямые волны, идущие не­посредственно от очага землетрясения или места взрыва, но и волны, испытавшие прелом­ления или отражения на внутренних границах Земли, которые разделяют горные породы с разными свойствами.

Каждое землетрясение вызывает колебательное движение, распространяющееся от оча­га во все стороны.

Если бы Земля была однородным телом, то сейсмические волны распространялись бы пря­молинейно и с одинаковой скоростью. Изуче­ние скоростей распространения различных волн в Земле показало, что земной шар состоит из ряда приблизительно концентрических зон, име­ющих различную плотность и, вероятно, раз­личный состав.

Вспомните увлекательный роман Жюля Вер­на «Путешествие к центру Земли». Писатель рассказывает о строении земной коры, состоя­щей главным образом из пластов осадочных горных пород, и об истории развития жизни на ней, как представляли это себе ученые во второй половине XIX в.

Попробуем и мы совершить путешествие к центру Земли.

Самые верхние слои земной коры состоят преимущественно из пластов осадочных горных пород, образовавшихся путем осаждения раз­личных мелких частиц, главным образом в мо­рях и океанах. В этих пластах захоронены остатки животных и растений, населявших в прошлом земной шар. Они с течением времени превратились в окаменелости, позволяющие от пласта к пласту восстанавливать историю раз­вития жизни на Земле. Общая мощность (тол­щина) осадочных пород не превышает 15—20 км.

Средняя скорость распространения в них про­дольных колебаний от 2 до 5 тыс. м/сек.

А что же находится под осадочными горными породами? На этот вопрос дают ответ, с одной стороны, обнажения горных пород или буровые скважины, а с другой стороны — сейсмические волны. Оказалось, что они распространяются в глубине Земли с различными скоростями на континентах и на дне океана. Отсюда ученые сделали вывод, что на Земле существуют два главных типа твердой земной коры: континен­тальный и океанический.

Мощность коры континентального типа в среднем 30—40 км, а под многими гора­ми достигает местами 80 км. Континентальная часть земной коры распадается на ряд слоев, число и мощность которых изменяются от райо­на к району. Обычно ниже осадочных пород выделяют два главных слоя: верхний — «гранитный», близкий по физическим свойст­вам и составу к граниту (он богат кремнекислотой), и нижний, состоящий из более тяжелых пород, — «базальтовый» (предполагает­ся, что, он состоит главным образом из базальта). Толщина каждого из этих слоев в среднем 15—20 км. Однако во многих местах не удается установить резкую разницу между гранитным и базальтовым слоями, поэтому некоторые ис­следователи высказали предположение, что со­став коры меняется с глубиной постепенно.

Океаническая кора гораздо тоньше (5—8 км). По составу и свойствам она близка к веществу нижней части базальтового слоя континентов, т. е., видимо, состоит из базаль­тов или пород, богатых магнием и железом. Но этот тип коры свойствен только глубоким участкам дна океанов, не менее 4 тыс. м. На дне океанов есть области, где земная кора имеет строение континентального или промежуточ­ного типа.

Многие сведения о физических свойствах горных пород и скорости прохождения в них сейсмических волн получены в лабораториях. Ученые используют эти данные для объяснения записей сейсмографов и для установления гра­ниц между слоями с различными свойствами. Базальтовый слой отделяется от ниже залега­ющих пород поверхностью, получившей назва­ние поверхности А. Мохоровичича3. Скорость сейсмических волн глубже этой поверхности сразу резко увеличивается до 8,2 км/сек, что обусловлено, вероятно, уве­личением плотности вещества Земли.

Поверхность Мохоровичича, наблюдаемая во всех областях земного шара, условно счи­тается нижней границей земной коры. Под ней находится оболочка Земли, или мантия. Она идет до глубины 2900 км. Оболочка Земли разделяется на 3 слоя: верхний, промежуточный и нижний. Промежуточный слой характери­зуется сильным возрастанием скоростей сейс­мических волн и увеличением электропровод­ности вещества Земли. Большинство ученых считают, что в промежуточном слое изменяется состав вещества или слагающие его минералы переходят в иное состояние, с более плотной «упаковкой» атомов.

Нижний слой оболочки отличается одно­родностью по сравнению с верхним слоем.

Небольшое понижение скорости сейсмиче­ских волн наблюдается на глубине 100—150 км. Предполагают, что в этом слое температура близка к температуре плавления; это подтвер­ждается очень малым числом очагов землетря­сений. Ученые допускают, что верхняя часть мантии по химическому и минералогическому составам близка к горным породам, богатым

магнием и железом, имеющим значительную плотность. Вблизи земной поверхности из­вестны такие породы. Они получили специ­альное название перидотитов.

Мы имеем некоторые доказательства реаль­ного существования этой подкоровой оболоч­ки. Так, в алмазных копях Южной Африки и Якутии встречаются в изобилии вынесенные с больших глубин куски перидотитовых пород.

На большинство геологических процессов, происходящих в верхних частях земной коры, активно влияют процессы глубинных недр. Ученые все более и более убеждаются, что движения земной коры, вызывающие образо­вание гор, трещин, разрывов, землетрясения и вулканизм, обусловлены источниками энер­гии и выделениями вещества в верхних частях мантии. Поэтому изучение верхних частей ман­тии имеет огромное научное и практическое значение. В США был разработан проект буре­ния земной коры под океанами до мантии. Со специально построенных барж в 1961 г. в рай­оне небольшого о-ва, около северо-западного побережья Мексики, было начато бурение. Под слоем морской воды в 3600 м пройдена буровая скважина на глубину около 200 м. Затем по техническим причинам работы были прекращены. В настоящее время выбирается новое место для бурения скважины.

Современная геофизика разработала спо­собы, которые дают возможность исследовать распределение материала Земли по плотности и упругости в глубоких частях недр Земли.

Изменение плотности оболочки (мантии) Земли связано, вероятно, не столько с изме­нением состава, сколько с давлением, которое на глубине достигает огромной величины.

Так, например, давление на единицу по­верхности равно:

 

глубина в                                                давление в
километрах                                           атмосферах
 
5                                                                1350
50                                                             13500
800                                                          296100
3200                                                        1677900

 

 

Под мантией находится земное ядро. Внешняя часть земного ядра обладает свойст­вами жидкости: через него не проходят попе­речные волны. Радиус земного ядра около 3471 км. При переходе от оболочки (мантии) к ядру резко изменяются физические свой­ства вещества. Причина этого, вероятно, изме­нение атомной структуры вещества Земли под влиянием высоких давлений.

Температура внутри Земли с глубиной по­вышается до 2000—3000°, при этом наиболее быстро она возрастает в земной коре, далее идет замедление, и на больших глубинах темпе­ратура остается, вероятно, постоянной.

Плотность Земли возрастает с 2,6 на по­верхности до 6,8 на границе ядра Земли. В самом ядре плотность возрастает до 10, а в его центральных частях превышает 12.

До недавнего времени считали, что ядро имеет железный состав, подобный железным метеоритам, а оболочка — силикатный, соот­ветствующий каменным метеоритам. Некоторые ученые предполагали, что причина резкого скачка плотностей и резкого уменьшения твер­дости у границы ядра Земли объясняется не изменением химического состава вещества, а физико-химическим процессом — частичным разрушением электронной оболочки атомов при давлении в 1,4 млн. атмосфер. Отрыв электро­нов от ядер под действием огромного давления и высокой температуры вызывает резкое уплот­нение вещества и придает ему новые свойства.

Такой процесс ученые назвали переходом вещества в металлическую фазу. Однако опы­ты с давлениями до 3 млн. атмосфер, проведенные недавно в СССР, пока не подтвердили возможность такого изменения вещества в яд­ре Земли.

В ядре на расстоянии 5100 км от поверхно­сти заключено еще внутреннее ядро Земли, или ядрышко. Оно, вероятно, находится в твердом состоянии. Надо иметь в виду, что условия существования материи в больших глубинах земного шара резко от­личны от условий на земной поверхности и тех, которые пока мы смогли создать в лаборато­риях.

Геофизики высказали предположение, что континенты возникли в связи с выделениями огромных количеств энергии, периодически происходящими в земной оболочке (мантии) на глубинах 600—700 км. Следствием этого яв­ляется процесс разделения (дифференциация) вещества Земли, который приводит к обедне­нию отдельных участков оболочки Земли кремнекислотой, окисью алюминия, щелочными ме­таллами и выносу их наверх — в земную кору, где они образуют континенты. Таким образом, в земном шаре, основываясь на сейсмиче­ских данных, можно выделить следующие зо­ны, отличающиеся по физическим свойствам: земная кора, верхняя мантия, переходный слой, нижняя мантия, внешнее ядро и внут­реннее ядро. До сих пор нет единых общепризнанных взглядов на состав мантии и ядра.

Изучая земной шар в целом, ученые уже давно выделили ряд присущих ему оболочек: воздушную оболочку, или атмо­сферу, жидкую оболочку, или гид­росферу (гидро — вода), и литосферу (литос— камень) — твердую оболочку, или, как ее теперь называют, земную кору. В начале XX в. учение о внешних оболочках Земли раз­вил выдающийся русский ученый В. И. Вер­надский. Он выделил еще прерывистую ле­дяную оболочку и биосферу — область, занятую живыми организмами. Гео­физики разработали, как вы уже знаете, уче­ние о внутреннем строении Земли тоже в виде ряда глубинных оболочек и центрального ядра.

С каждым годом данные геофизики позво­ляют все лучше и лучше разбираться в строе­нии земного шара, а это в свою очередь дает возможность установить связь ряда важней­ших геологических процессов, протекающих в земной коре, с процессами, происходящими в глубинах земного шара. Вот почему так важно и так интересно изучать строение нашей планеты.

 

1 Космогония — наука о происхождении и разви­тии небесных тел и их систем.

2 Геофизика — наука о физических свойствах Зем­ли и физических процессах, происходящих в ее твер­дой, жидкой и воздушной оболочках.


3 По имени открывшего ее югославского ученого.

 





 
Календарь
«  Декабрь 2016  »
ПнВтСрЧтПтСбВс
   1234
567891011
12131415161718
19202122232425
262728293031

Новые статьи
Каталог статей
Как подготовить ребенка к школе
Освоение навыков чтения
Природные материалы на уроках труда

Статистика




 
Адрес почты Вопросы по рекомендациям, размещению рекламы и обратных ссылок обращайтесь pochta@enciklopediya1.ru
2013 © 2016