Билет № 27. Геологическая история Земли.

Чтобы объяснить различия во внутреннем строении отдельных территорий, надо знать, как образовалась и изменялась геологическая история территории. Последовательность геологических событий в истории развития Земли, возраст земной коры устанавливают, изучая горные породы, слагающие территории. Органический мир развивался вместе с той средой, в которой ему приходилось существовать. В пластах горных пород находят остатки растений и животных, по которым удается проследить эволюцию жизни на Земле. Владимир Ковалевский (1842– 1883) положил эволюционную теорию в основу палеонтологии. Это наука об ископаемых организмах. Первые следы органических остатков геологи открыли в древнейших отложениях, которые относятся к протерозойской эре, Она длилась 700 млн. лет. Земля в тот период была почти полностью покрыта океаном, в нем обитали бактерии, простейшие водоросли, примитивные морские животные. Эволюция тогда шла очень медленно, десятки миллионов лет. В палеозойскую эру (продолжительность около 365 млн лет) эволюция шла более быстрыми темпами. Образовались большие пространства суши, на которых появились первые наземные беспозвоночные животные и растения. Морские животные усовершенствовались, появились огромные панцирные рыбы. В каменноугольном (карбоновом) периоде происходит развитие лесов из древовидных папоротников, хвощей и плаунов, появляются земноводные и рептилии. В пермский период, завершавший палеозойскую эру, появляются пресмыкающиеся. Еще быстрее животный и растительный мир Земли стал развиваться в мезозойскую эру (около 165 млн лет) – пресмыкающиеся стали господствовать на суше. Появились – первые млекопитающие – сумчатые. Всеобщее распространение получили хвойные деревья, расцвет и вымирание рептилий, появляются разнообразные птицы и млекопитающие. Около 70 млн лет назад наступила кайнозойская эра. Продолжается развитие и совершенствование птиц и млекопитающих. В растительном мире широко распространены цветковые растения. Сформировались виды животных и растений, которые обитают на Земле и сейчас. Около 2 млн лет назад начинался период кайнозойской эры, который называется четвертичным или антропогеновым. Он связан с возникновением человека. Человек в геологическом масштабе времени – совершенный младенец. 2 млн лет для природы – очень малый срок. Значительным событием в кайнозойской эре стало возникновение большого числа культурных растений и домашних животных. Все они – результат творческой деятельности человека, разумного существа, способного к целенаправленной деятельности. Результатом изучения геологов является геохронологическая таблица.

Земля – третья от Солнца планета Солнечной системы – совершает в пространстве сложное движение. Она обращается вокруг Солнца по эллиптической орбите с орбитальной скоростью около 30 км/с. Особенности вращения Земли определяют длительность звездных суток и года, периодичность времен года и изменения видимого звездного неба. Земля оказывает влияние и на окружающее пространство. Радиус гравитационной сферы влияния Земли можно представить либо как расстояние, на котором могут двигаться объекты, оставаясь спутниками Земли (около 1,5 млн. км), либо как радиус сферы, в которой земное притяжение больше притяжения Солнца (около 2,6 млн. км).

Форма и размеры Земли

Наша планета имеет форму, близкую к шарообразной. Под действием центробежной силы, возникающей вследствие вращения Земли вокруг ее оси, она сплюснута у полюсов. Земля – не совсем шар, а эллипсоид вращения, называемый геоидом. Это фигура, которую образовала бы поверхность Мирового океана, будь она свободна от всяческих возмущений (приливов, неоднородностей атмосферного давления и т.п.). Сила тяжести в любой точке перпендикулярна гипотетической поверхности геоида. Рассчитано, что ускорение силы тяжести изменяется от 9,82 м/с² у поверхности планеты до максимального значения 10,37 м/с² в основании нижней мантии (2900 км). В ядре ускорение силы тяжести быстро падает, доходя на глубине около 5000 км до 4,52 м/с², на глубине 6000 км – до 1,26 м/с², а в центре планеты – до нуля. Из приблизительно 510 млн. км² поверхности Земли на долю суши приходится 149 млн. км², или около 29%, так что правильнее было бы назвать нашу планету не Землей, а Океаном.

Происхождение и эволюция Земли

Наиболее развиты небулярные модели формирования Солнца и планет путем сжатия газовой или пылевой туманности (небулы). Первые варианты таких моделей были предложены в XVIII веке математиком и механиком П. Лапласом и философом И. Кантом. История Земли состоит из двух этапов: ранняя история и геологическая история.

Ранняя история (протоархейская эра, 4,7-4,0 млрд. лет назад) включает три фазы – фазу аккреции, фазу расплавления и расслоения внешней сферы Земли, лунную фазу – и характеризуется медленным темпом эволюции:

а). При аккреции происходило непрерывное выпадение на растущую Протоземлю тел разных размеров. Земля приобрела около 95% своей массы, оставаясь холодной. В конце фазы интенсивная метеоритная бомбардировка привела к разогреванию и расплавлению внешней зоны планеты.

б). В фазу расплавления и расслоения внешней сферы Земли образуются ядро, мантия и земная кора. Тяжелые железосодержащие породы сотни миллионов лет опускались глубже, формируя ядро, а легкие каменистые породы образовывали кору. В процессе гравитационного сжатия, распада радиоактивных элементов Земля разогревается еще больше. С образованием ядра начались внутренние процессы тектонического и вулканического характера. Дегазация Земли приводит к началу образования атмосферы, состоящей в основном из метана, аммиака и углекислоты. В конце фазы за счет конденсации водяного пара начинается образование гидросферы, т.е. атмосфера и гидросфера выделяются из недр планеты, поскольку вода и газы входят в состав земных пород. Поверхность Земли представляет собой океан раскаленного расплава с прорывающимися из него газами.

в). В лунную фазу происходит остывание вещества вследствие излучения тепла в космос. Образуется тонкий слой первичной коры из базальтов и гранитов. Земная поверхность охлаждается до 100°С. Возникают первые острова и протоконтиненты, сложенные из горных пород, содержащих преимущественно кремний и алюминий Они незначительно возвышаются над еще очень мелководным океанами.

Геологическая история (от архея до современности) характеризуется быстрым темпом эволюции. После охлаждения земной поверхности до 100°С парообразная вода превращается в жидкость, образуются водоемы, возникает круговорот воды в природе. Водная атмосфера превратилась в углекислую. В атмосфере преобладают газы-восстановители: водород, аммиак, сероводород, метан, углекислый и угарный газы. Появление растений привело к формированию атмосферы современного типа. Земля – это объект, который продолжает находиться в процессе становления.

С учетом перспективы история планеты Земля в окончательном виде может выглядеть следующим образом:

1) образование планеты (4,7-4,0 млрд. лет назад);

2) нарастание тектонической деятельности Земли и достижение ею своего пика (4,0-2,2 млрд. лет назад);

3) период приблизительного постоянства в тектонической деятельности планеты (2,2 млрд. лет назад – 0,6 млрд. лет вперед);

4) угасание тектонической деятельности Земли (0,6 млрд. лет вперед – 1,6 млрд. лет вперед);

5) остывание планеты под лучами Солнца (1,6-5 млрд. лет вперед);

6) опаление Земли в результате взрыва Солнца (около 5 млрд. лет вперед);

7) космическое странствие планеты (через 5 млрд. лет) до ее поглощения системой какой-либо звезды.

Возраст Земли

На основании данных о возрасте древнейших минералов и горных пород можно сделать вывод, что возраст Земли превышает 4 млрд. лет, и до этой даты наша планета прошла определенный путь развития. На возраст Земли также указывают данные исследования метеоритов – твердых тел Солнечной системы. Они относятся к наиболее изученным космическим объектам и несут ценную информацию. Исследования показывают, что возраст как железных, так и каменных метеоритов совпадает и составляет примерно 4,5–4,7 млрд. лет. Схожие данные получены и при исследовании лунных пород. Образцы этих пород были доставлены на Землю как с помощью космических станций "Луна", так и экипажами американских космических кораблей "Аполлон". Оказалось, что возраст самых древних лунных образцов совпадает с возрастом самой Луны и составляет 4-4,5 млрд. лет. Значит, первичная лунная кора возникла вскоре после образования Луны, и отдельные участки этой коры сохранились до сегодняшнего дня.

Такое совпадение данных для разных тел Солнечной системы не может считаться случайным, поэтому делается вывод о возрасте нашей планеты, равном примерно 4,7 млрд. лет. К этому времени в основном завершилось формирование нашей планеты. Сегодня считается, что геологическая история нашей планеты составляет около 4 млрд. лет, а 0,7 млрд. лет – это ранняя история Земли. Исходя из истории изучения Земли, все гипотезы ее развития на сегодняшний день можно объединить в две группы:

• гипотезы катастроф, согласно которым развитие Земли происходило скачкообразно вследствие ряда геологических катастроф. После каждой катастрофы создавался новый мир;

• гипотезы эволюции, согласно которым на Земле происходят постоянные непрерывные изменения в одном направлении на протяжении миллионов лет, которые, суммируясь, приводят к определенным результатам.

Проблема происхождения Земли привела к разработке новых научных методов, нашедшие широкую применимость во многих других областях деятельности человека: биостратиграфического (палеонтологического), изотопного (аргонного) анализа, магнитной восприимчивости горных пород, соотношения радиоактивных веществ и продуктов их распада в горных породах, интерферометрии со сверхдлинной базой (ИСДБ), акустического.

Общее строение Земли

Земля делится на внутренние и внешние геосферные оболочки. Основой их образования является формирования ядра Земли. Ядро занимает центральную область нашей планеты. Это самая глубокая геосфера. Средний радиус ядра составляет около 3500 км, располагается оно глубже 2900 км и состоит из двух частей – большого внешнего (жидкое состояние) и малого внутреннего (кристаллическое состояние) ядер.

Окружает ядро мантия, содержащая не менее 6 отдельных геосфер: нижняя, I зона раздела, средняя, II зона раздела, верхняя, состоящая из астеносферы и зоны Мохоровича. Агрегатное состояние мантии неоднородно – внизу твердое, к верху все более разжиженное, но с высокой степенью вязкости. Для всей мантии характерны интенсивные конвективные движения (это результат сложного взаимодействия механического движения Земли и гигантской конвекции тепла в ее внутренних слоях). Верхняя мантия в целом обладает интересной особенностью – по отношению к кратковременным нагрузкам она ведет себя как жесткий материал, а по отношению к длительным нагрузкам – как пластичный материал.

На не слишком вязкую и пластичную астеносферу опирается более подвижная и легкая литосфера – земная кора с частью подстилающей ее верхней мантии. Земная кора – внешняя оболочка Земли, имеет толщину менее 10 км под океанами, более 35 км под материками. Образуется за счет движения литосферных плит, магматических процессов, разрушения и выветривания горных пород и осадконакоплений. Подобное строение внутренних оболочек Земли базируется на сейсмологических исследованиях, определивших их границы.

Имеются также такие общепланетные оболочки, как магнитосфера, электрополе, озоносфера, гидросфера,атмосфера и энергосфера. Выделяют также специфические, присущие только для Земли (пока не открыты других планетах) оболочки: географическая, социальная, и множество других, а как их высшая форма – ноосфера.

Билет № 28. Структура планеты Земля.

? Общее строение Земли

Земля делится на внутренние и внешние геосферные оболочки. Основой их образования является формирования ядра Земли. Ядро занимает центральную область нашей планеты. Это самая глубокая геосфера. Средний радиус ядра составляет около 3500 км, располагается оно глубже 2900 км и состоит из двух частей – большого внешнего (жидкое состояние) и малого внутреннего (кристаллическое состояние) ядер.

Окружает ядро мантия, содержащая не менее 6 отдельных геосфер: нижняя, I зона раздела, средняя, II зона раздела, верхняя, состоящая из астеносферы и зоны Мохоровича. Агрегатное состояние мантии неоднородно – внизу твердое, к верху все более разжиженное, но с высокой степенью вязкости. Для всей мантии характерны интенсивные конвективные движения (это результат сложного взаимодействия механического движения Земли и гигантской конвекции тепла в ее внутренних слоях). Верхняя мантия в целом обладает интересной особенностью – по отношению к кратковременным нагрузкам она ведет себя как жесткий материал, а по отношению к длительным нагрузкам – как пластичный материал.

На не слишком вязкую и пластичную астеносферу опирается более подвижная и легкая литосфера – земная кора с частью подстилающей ее верхней мантии. Земная кора – внешняя оболочка Земли, имеет толщину менее 10 км под океанами, более 35 км под материками. Образуется за счет движения литосферных плит, магматических процессов, разрушения и выветривания горных пород и осадконакоплений. Подобное строение внутренних оболочек Земли базируется на сейсмологических исследованиях, определивших их границы.

Имеются также такие общепланетные оболочки, как магнитосфера, электрополе, озоносфера, гидросфера,атмосфера и энергосфера. Выделяют также специфические, присущие только для Земли (пока не открыты других планетах) оболочки: географическая, социальная, и множество других, а как их высшая форма – ноосфера.

Другой источник: http://investments.academic.ru/963/%D0%97%D0%B5%D0%BC%D0%BB%D1%8F

Самой внешней и протяжённой оболочкой Земли является магнитосфера — область околоземногопространства, физические свойства которой определяются магнитным полем Земли и его взаимодействиемс потоками заряженных частиц.

Исследования, проведённые при помощи космических зондов и искусственных спутников Земли, показали,что Земля постоянно находится в потоке корпускулярного излучения Солнца (т. н. солнечный ветер). Онобразуется благодаря непрерывному расширению (истечению) плазмы солнечной короны и состоит иззаряженных частиц (протонов, ядер и ионов гелия, а также более тяжёлых положительных ионов иэлектронов). У орбиты Земли скорость направленного движения частиц в потоке колеблется от 300 до 800км/сек. Солнечная плазма несёт с собой магнитное поле, напряжённость которого в среднем равна 4,8-10-За/м (6*10-5 э).

При столкновении потока солнечной плазмы с препятствием — магнитным полем Земли — образуетсяраспространяющаяся навстречу потоку ударная волна, фронт которой со стороны Солнца в среднемлокализован на расстоянии 13—14 радиусов Земли (ÅR) от её центра. За фронтом ударной волны следуетпереходная область толщиной ~ 20 тыс. км, где магнитное поле солнечной плазмы становитсянеупорядоченным, а движение её частиц — хаотичным, температура плазмы в этой области повышаетсяпримерно с 200 тыс. градусов до ~ 10 млн. градусов.

Переходная область примыкает непосредственно к магнитосфере Земли, граница которой — магнитопауза— проходит там, где динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением магнитногополя Земли; она расположена со стороны Солнца на расстоянии ~ 10—12 R (Å) (70—80 тыс. км) от центраЗ., её толщина ~ 100 км. Напряжённость магнитного поля З. у магнитопаузы ~ 8*10-2а/м (10-3э), т. е.значительно выше напряжённости поля солнечной плазмы на уровне орбиты Земли. Потоки частицсолнечной плазмы обтекают магнитосферу и резко искажают на значительных расстояниях от З. структуруеё магнитного поля. Примерно до расстояния 3 ÅR от центра Земли магнитное поле ещё достаточно близкок полю магнитного диполя (напряжённость поля убывает с высотой ~1/ÅR3). Регулярность поля здесьнарушают лишь магнитные аномалии (влияние наиболее крупных аномалий сказывается до высот ~0,Å5R)над поверхностью Земли. На расстояниях, превышающих 3 ÅR, магнитное поле ослабевает медленнее, чемполе диполя, а его силовые линии с солнечной стороны несколько прижаты к Земле. Линии геомагнитногополя, выходящие из полярных областей Земли, отклоняются солнечным ветром на ночную сторону Земли.Там они образуют «хвост», или «шлейф», магнитосферы протяжённостью более 5 млн. км. Пучки магнитныхсиловых линий противоположного направления разделены в хвосте областью очень слабого магнитногополя (нейтральным слоем), где концентрируется горячая плазма с температурой в млн. градусов.

Магнитосфера реагирует на проявления солнечной активности, вызывающей заметные изменения всолнечном ветре и его магнитном поле. Возникает сложный комплекс явлений, получивший названиемагнитной бури. При вихрях наблюдается непосредственное вторжение в магнитосферу частиц солнечноговетра, происходит нагрев и усиление ионизации верхних слоев атмосферы, ускорение заряженных частиц,увеличение яркости полярных сияний, возникновение электромагнитных шумов, нарушение радиосвязи накоротких волнах и т.д. В области замкнутых линий геомагнитного поля существует магнитная ловушка длязаряженных частиц. Нижняя её граница определяется поглощением захваченных в ловушку частицатмосферой на высоте несколько сот км., верхняя практически совпадает с границей магнитосферы надневной стороне Земли, несколько снижаясь на ночной стороне. Потоки захваченных в ловушку частицвысоких энергий (главным образом протонов и электронов) образуют т. н. Радиационный пояс Земли.Частицы радиационного пояса представляют значительную радиационную опасность при полётах в космос.

О строении, составе и свойствах «твёрдой» Земли имеются преимущественно предположительныесведения, поскольку непосредственному наблюдению доступна лишь самая верхняя часть земной коры. Вседанные о более глубоких недрах планеты получены за счёт разнообразных косвенных (главным образомгеофизических) методов исследования. Наиболее достоверны из них — сейсмические методы, основанныена изучении путей и скорости распространения в Земле упругих колебаний (сейсмических волн). С ихпомощью удалось установить разделение «твёрдой» Земли на отдельные сферы и составитьпредставление о внутреннем строении Земли. Разность между средним радиусом З. и средним радиусомграницы (кроме коры).

Под океанами осадочный слой на обширных площадях имеет толщину лишь в несколько сотен метров. «Гранитный» слой, как правило, отсутствует: вместо него наблюдается т. н. «второй» слой неяснойприроды, толщиной около 1—2,5 км. Мощность «базальтового» слоя под океанами — около 5 км.

Физические характеристики и химический состав «твёрдой» Земли.

С глубиной в Земле изменяются значения плотности, давления, силы тяжести, упругих свойств вещества,вязкости и температуры. Средняя плотность земной коры в целом — 2,8 т/м3. Средняя плотностьосадочного слоя коры — 2,4—2,5 т/м3, «гранитного» — 2,7 т/м3, «базальтового» — 2,9 т/м3. На границеземной коры и мантии плотность увеличивается скачком от значений 2,9—3,0 т/м3 до 3,1—3,5 т/м3. Далееона плавно растет, достигая у подошвы слоя Гуттенберга 3,6 т/м3. у подошвы слоя Голицына 4,5 т/м3 и уграницы ядра 5,6 т/м3. В ядре плотность скачком поднимается до 10,0 т/м3, а далее плавно возрастает до12,5 т/м3 в центре Земли.

Ускорение силы тяжести в Земле не изменяется скачком. До глубины 2500 км оно отклоняется от значения10 м/сек менее чем на 2%, на границе ядра равно 10,7 м/сек2 и далее плавно убывает до нуля в центреЗемли. По данным о плотности и ускорении силы тяжести вычисляется давление, которое непрерывнорастёт с глубиной. У подошвы материковой коры оно близко к 1 Гн/м2 (109н/м2), у подошвы слоя В — 14 Гн/м2, слоя С — 35 Гн/м2, на границе ядра — 136 Гн/м2, в центре Земли — 361 Гн/м2. Зная плотность искорости сейсмических волн, вычисляют величины, характеризующие упругие свойства материала Земли. Ихход в зависимости от глубины показан на втором графике.

В земной коре и верхней мантии температура повышается с глубиной. Из мантии к поверхности «твёрдой»Земли идёт тепловой поток, в несколько тыс. раз меньший поступающего от Солнца (в среднем около 0,06вт/м2 или около 2,5*1013 вт на всю поверхность З.). В мантии температура везде ниже температурыполного расплавления слагающего её материала. Под материковой корой она предполагается близкой к 600—700 °С. В слое Гуттенберга температура, по-видимому, близка к точке плавления (1500—1800 °С). Оценкатемператур для более глубоких слоев мантии и ядра З. носит весьма предположительный характер. По-видимому, в ядре она не превышает 4000—5000 °С.

Вязкость материала мантии выше и ниже границ астеносферы, видимо, не менее 1023nз; вязкостьастеносферы сильно понижена (1019—1021nз). Считается, что благодаря этому в астеносфере происходитмедленное перетекание масс в горизонтальном направлении под влиянием неравномерной нагрузки состороны земной коры (восстановление изостатического равновесия). Вязкость внешнего ядра на многопорядков меньше вязкости мантии.

В верхней мантии до глубины 700 км отмечаются очаги землетрясений, что указывает на значительнуюпрочность слагающего её материала; отсутствие более глубоких сейсмических очагов объясняется либомалой прочностью вещества, либо отсутствием достаточно сильных механических напряжений.

Из современных космогонических гипотез вытекает, что химический состав планет, их спутников иметеоритов должен быть близок к составу Солнца. Сопоставляя известные химические анализы земных илунных пород, метеоритов, спектральные анализы Солнца и учитывая данные о плотности и др. физическихсвойствах материала в недрах Земли, можно в общих чертах охарактеризовать состав Земли в целом исостав её различных геосфер.

В составе Земли преобладают (как по массе, так и по числу атомов) железо, кислород, кремний и магний. Всумме они составляют более 90% массы Земли. Земная кора почти наполовину состоит из кислорода иболее чем на четверть из кремния. Значительная доля принадлежит также алюминию, магнию, кальцию,натрию и калию. Кислород, кремний, алюминий дают наиболее распространённые в коре соединения —кремнезём (SiO2) и глинозём (A12O3).

Мантия состоит преимущественно из тяжёлых минералов, богатых магнием и железом. Они образуютсоединения с SiO2 (силикаты). В субстрате, по-видимому, больше всего форстерита (MgSiO4), глубжепостепенно возрастает доля фаялита (Fe2SiO4). Предполагается, что в нижней мантии под влиянием оченьвысокого давления эти минералы разложились на окислы (SiO2, MgO, FeO).

Агрегатное состояние вещества земных недр обусловлено наличием высоких температур и давлений.Материал мантии был бы расплавлен, если бы не высокое давление, вследствие которого вся мантиянаходится в твёрдом кристаллическом состоянии, за исключением, вероятно, астеносферы, где влияниеблизкой к точке плавления температуры сказывается сильнее, чем действие давления.

В слое Голицына, по мере роста давления с глубиной, по-видимому, происходит перестройкакристаллических решёток минералов в сторону более плотной упаковки атомов, чем объясняется быстрыйрост с глубиной плотности и скоростей сейсмических волн.