/7 л. ж. яыжия ж. и. яъссжиял есяояы ялуя О ЗёЖЛё учёнее /ГШ6^
Министерство образования и науки Российской Федерации Сыктывкарский государственный университет П 95 А. М. Пыстин, Ю. И. Пыстина ОСНОВЫ НАУК О ЗЕМЛЕ Учебное пособие Сыктывкар 2004
УДК 551 ББК 26.3 П 94 Печатается по решению редакционно-издательского совета СыктГУ Рецензенты: кафедра географии Сыктывкарского государственного педагогического института, д-р г.-м. н. Тимонин Н. И. Пыстин А. М., Пыстина Ю. И. П 94 Основы наук о земле: Учеб, пособие. Сыктывкар: Изд-во СыктГУ, 2003. 68 с. 13ВИ 5-87237-427-5 Учебное пособие написано в соответствии с программой по разделу «Земля и Жизнь» дисциплины «Науки о Земле» для студентов специальности «Биология». Авторы излагают современные представления о геологическом строении земли и истории ее развития. Знакомят с современными представлениями о процессах внешней и внутренней динамики, дают основы минералогии и петрографии. Предназначено для студентов, изучающих естественные науки, учителей географии и всех, интересующихся проблемами современной геологии. УДК 551 ББК 26.3 13ВМ 5-87237-427-5 © Пыстин А. М., Пыстина Ю. И., 2004. © Сыктывкарский университет, 2004. Коми научного центра уро ран. Коми научный центр Уро РАН
ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ......................................................................................4 Глава 1. ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ ЗЕМЛИ...................................................5 Глава 2. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ЗЕМЛИ......................................... 11 Форма и рельеф Земли..............................................................................11 Физические свойства Земли................................................................... 13 Вещественный состав Земли................................................................. 16 Состав внутренних оболочек Земли..................................................... 16 Основные тектонические структуры земной коры ............................ 18 Глава 3. ОСНОВЫ МИНЕРАЛОГИИ И ПЕТРОГРАФИИ ......................20 Минералы........................... 20 Элементы кристаллографии и кристаллохимии.................................. 20 Условия образования и формы нахождения минералов в природе................................................................................ 24 Физические свойства минералов............................................................25 Классификация минералов......................................................................29 Горные породы............................................................................................ 41 Глава 4. ЭВОЛЮЦИЯ ЗЕМЛИ..................................................................47 Процессы внешней динамики Земли (экзогенные) ................................................................................................ 47 Процессы внутренней динамики Земли (эндогенные)................................................................................................ 48 Шкала геологического времени............................................................... 53 Современные общие гипотезы развития Земли................................ 59 Глава 5. ЗАРОЖДЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ЖИЗНИ.....................................62 Минералогическая концепция жизни..................................................... 62 Основные этапы развития и эволюции органического мира.............64 РЕКОМЕНДУЕМЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.... 68 -3 - Коми научный центр Уро РАН
ВВЕДЕНИЕ Земля — одна из девяти планет, вращающихся вокруг Солнца. Все они, согласно современным космогеническим представлениям, образовались около 4,6 млрд лет назад почти одновременно с Солнцем. К Солнечной системе кроме Солнца и планет относятся 34 их спутника, многочисленные кометы и астероиды. Планеты Солнечной системы имеют много общего. Все они вращаются вокруг Солнца в одном направлении и, кроме Меркурия и Плутона, по орбитам, близким к круговым. При этом плоскости их орбит практически совпадают. Большинство планет вращается вокруг своих осей в направлении, совпадающим с их движением вокруг Солнца. И в то же время Земля — особая планета Солнечной системы, а возможно всей Галактики Млечного Пути, в которую входит Солнце и окружающие его спутники. Отличие Земли от других известных нам планет — существование на ней жизни, появившейся 3—3,5 млрд лет назад и достигшей с появлением человека (12 млн лет назад) своей высшей формы. Связан ли факт появления жизни на Земле с особенностями развития Земли как планеты или это случайное явление? Ответа на этот вопрос сегодня нет. Его решение, несомненно, связано с междисциплинарными исследованиями на стыке двух наук: геологии и биологии. Авторы настоящего пособия, являющиеся по специальности геологами, основное внимание уделяют геологическим аспектам проблемы Земли и жизни: вещественному составу Земли, ее физическим свойствам, процессам внешней и внутренней динамики, современным представлениям о тектоническом развитии Земли. Биологические аспекты проблемы в работе затронуты вскользь и только в связи с геологией. Наша скромная цель— немного продвинуть решение проблемы «Земля и жизнь» путем геологического образования тех, кто собирается в будущем профессионально заниматься вопросами зарождения и развития жизни — студентов биологических специальностей. Мы уверены, что знакомство с основами геологии не может не породить мысль, что именно на Земле — динамично развивающейся планете, в сказочном царстве минералов могли возникнуть и возникли условия для появления такого уникального явления, как жизнь. -4 - Коми научный центр Уро РАН
Глава 1. ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ ЗЕМЛИ Люди начали изучать Землю на первых этапах своего существования. Уже в глубокой древности появились зачатки знаний о Земле. Древние мыслители в своих представлениях об окружающем их мире шли от очевидного к фантазии. Так, вавилоняне изображали Землю в виде круглой горы, окруженной морем, на которое, как опрокинутая чаша, опирается твердое небо. Древние греки представляли Землю в виде слегка выпуклого диска, обтекаемого со всех сторон рекой, — Океаном. Они считали, что над Океаном находится медный небосвод и по нему движется Солнце, поднимающееся ежедневно из вод Океана на востоке и погружающееся в них на западе. Представление о Земле как о плоском круглом диске возникло, по-видимому, под влиянием непосредственного впечатления от вида горизонта на море. Первые попытки научного объяснения строения Земли и геологических процессов относятся к VI—IV вв. до н. э. Знаменитый древнегреческий ученый Пифагор (около 580—500 гг. до н. э.) пришел к выводу о шарообразности Земли. Его последователь Анаксагор (около 500— 428 гг. до н. э.) разработал геоцентрическую (греч. «ге» — земля) концепцию, согласно которой Земля считалась центром мироздания, вокруг которого вращаются Солнце, звезды и планеты. Научное доказательство шарообразности Земли впервые привел известный древнегреческий философ Аристотель (384—322 гг. до н. э.). Он говорил, что если бы Земля не имела форму шара, то тень, которую она отбрасывает на Луну при ее затмении, не была бы ограничена дугой окружности. Проживавший в Александрии древнегреческий ученый Эратосфен Ки- ренский (около 276—194 гг. до н. э.) впервые сравнительно точно определил средний радиус земного шара. В V в. до н. э. древнегреческий географ Геродот дал описание всей известной тогда части Земли. Аристах Самосский (конец IV— первая половина III в. до н. э.), которого называют Коперником Древнего мира, выдвинул первую гелиоцентрическую (греч. «гелиос» — солнце) гипотезу строения Солнечной системы. Он высказал идею вращения Земли вокруг Солнца и собственной оси. Во II в. н. э. Птоломей Клавдий -— автор первой карты известного в то время мира — развил геоцентрическую систему мира, которая господствовала в Европе до середины XVI в. В основе ее лежало представление о том, что центром Вселенной является плоская Земля. А на окружающих ее хрустальных сферах размещаются Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн. Затем следует сфера неподвижных звезд и «царство небесное», населенное ангелами, архангелами и Богом — творцом мироздания. Земля и весь органический мир объявлялись неизменными «от создания». - 5 - Коми научный центр Уро РАН
Единственным событием, нарушившим однажды ее покой, считался «всемирный потоп». Позже подробную сводку о Земле сделал римский географ Страбон (63 г. до н. э. — 23—24 гг. н. э.). В произведениях Геродота и Страбона содержится ряд сведений о вулканах, размывающей работе рек, колебаниях моря и других. В древние века были поставлены многие проблемы, ставшие впоследствии предметом изучения геологии. Однако прогрессивные идеи, высказанные античными учеными, не получили развития в Европе и были забыты. В течение последующих полутора тысяч лет господствовало учение Птоломея. В VIII—XIII вв. геолоические знания накапливались в Средней Азии, странах арабского Востока, где развивались идеи античного мира, изучалась природа Земли, геологических явлений, а также минералов и руд. На рубеже I—II тысячелетий великий таджикский философ Абу- Али-Июн-Сина, известный под именем Авиценны, составил научную классификацию минералов, подразделив их на четыре класса: камни, горючие ископаемые, соли и металлы. Эта классификация просуществовала до начала XIX столетия. Знаменитый ученый из Хорезма Аль- Бируни (972—1048) в труде «Собрание сведений для познания драгоценностей» привел многочисленные данные об известных в то время минералах и их месторождениях в Средней Азии, Китае, Индии и других районах. Аль-Бируни выдвинул идею о гелиоцентрической системе мира и шарообразности Земли; определил длину окружности земного шара. Крушение птоломеевской системы связано с именем великого польского ученого Николая Коперника (1473—1543). В своем гениальном труде «Об обращении небесных кругов» он доказал, что Земля является не центром Вселенной, а всего лишь небольшой и постоянно движущейся вокруг Солнца планетой. В Европе геологические знания продолжали долгое время оставаться в зачаточном состоянии. Однако новые сведения об устройстве поверхности Земли накапливались в процессе многочисленных путешествий. В 1490 г. Мартин Бехайм создал первую модель Земли — земной глобус, но был осмеян. В 1492 г. Христофор Колумб открывает Америку. В 1519—1522 гг. Магеллан совершает первое путешествие вокруг Земли, раз и навсегда установив факт ее шарообразности. Исключительно большое значение для дальнейшего развития геологии имели результаты исследований датского натуралиста Николауса Стено (1638—1687) во Флоренции. Он отметил, что осадочные горные породы образуют слои, характеризующиеся определенной последовательностью напластования и различной протяженностью, и высказал следующие положения: каждый слой Земли образовался в резуль -6Коми научный центр Уро РАН
тате осаждения в воде; слой, заключающий обломки другого слоя, образуется после него; всякий слой отложился после того, на котором он залегает, и ранее того, который его покрывает; слой имеет определенную протяженность. Н. Стено объяснил нарушение залегания горизонтальных слоев и образование гор действием «огня и воды», тектоническими движениями. Им была высказана идея о том, что геологическая история намного продолжительнее библейских 6000 лет. Несмотря на отмеченные достижения, большинство ученых в VI— XVII вв. в области геологии по-прежнему увлекались умозрительными рассуждениями, нередко стараясь увязать свои воззрения с религией. Окаменелости и рельеф земной поверхности продолжали рассматривать как остатки всемирного потопа, описанного в Библии. Геология как самостоятельная отрасль естествознания оформляется с середины XVIII в. Первые попытки создать научную геологию связаны с именами трех крупнейших ученых того времени — М. В. Ломоносова в России, А. Г. Вернера в Саксонии и Д. Геттона в Шотландии. О Михаиле Васильевиче Ломоносове (1711—1765) великий русский поэтА. С. Пушкин сказал: «Ломоносов был великий человек. Между Петром I и Екатериною II он один является самобытным сподвижником просвещения. Он создал первый университет. Он, лучше сказать, сам был первым нашим университетом». В своих сочинениях «Слово о рождении металлов от трясения Земли», «О слоях земных» и др. М. В. Ломоносов выдвинул гениальные идеи о формировании рельефа Земли, о поднятиях и опусканиях земной поверхности, смещениях берегов, появлении и исчезновении гор, островов и материков. Он рассматривал историю Земли как длительный исторический процесс и указывал: «...напрасно многие думают, что все, как видим, с начала творцом создано: будто не токмо горы, долы и воды, но и разные роды минералов произошли вместе со всем светом; и потому-де не надобно исследовать причин, для чего они внутренними свойствами и положением мест разнятся. Таковые рассуждения весьма вредны приращению всех наук, следовательно и натуральному знанию шара земного, а особливо искусству рудного дела». М. В. Ломоносов одним из первых сформулировал важнейший принцип современной геологии — принцип актуализ- ма. Согласно этому принципу, на основании наблюдений над современными процессами можно судить о ходе тех же процессов в далеком геологическом прошлом. Во второй половине XVIII — первой половине XIX вв. на весь мир прогремел знаменитый спор представителей двух притивоборствующих течений — «нептунистов» (Нептун — бог морей у римлян) и «плутонис- тов» (Плутон — бог подземного царства у древних греков). «Нептунис- ты» утверждали, что во всех геологических процессах главная роль принадлежит воде и все горные породы, слагающие земную кору, образо -7Коми научный центр Уро РАН
вались на дне водных бассейнов. Сторонники плутонического направления основное значение придавали «подземному» огню и с ним связывали преобразование лика Земли и возникновение горных пород. «Научная война» между «нептунистами» и «плутонистами» завершилась в первой половине XIX столетия поражением «плутонистов». Крупным шагом в утверждении идеи эволюции природы явилась космогоническая концепция немецкого философа Иммануила Канга (1724—1804). Он опубликовал книгу «Общая естественная история и теория неба, или Опыт об устройстве и механическом происхождении всего мироздания на основании ньютоновских законов» (1755). В ней указывалось, что первичная Вселенная состояла из первоначально неподвижных твердых частиц различной величины и плотности. В результате взаимного притяжения частицы приобрели движение. Но двигались они в зависимости от размеров и плотности с разной скоростью. Столкновение частиц вызвало в конечном итоге вращение всей системы и образование центральной массы. Частицы стали обращаться вокруг нее по круговым орбитам примерно в одном направлении. Кант считал, что процесс образования небесных тел и создания современной картины мира из первоначально рассеянной материи протекал миллионы лет. Подобную гипотезу о происхождении Земли и других планет Солнечной системы из первично раскаленного газообразного вещества разработал французский математик Пьер Симон Лаплас (1749—1827). Эта концепция, получившая впоследствии название гипотезы Канта- Лапласа, долго оставалась основополагающей в геологии. Из числа современных космогенных гипотез о происхождении планет наибольшее значение и популярность приобрели гипотезы О. Ю. Шмидта и В. Г. Фесенкова. Согласно гипотезе академика О. Ю. Шмидта, Земля и другие планеты Солнечной системы образовались из облака межзвездной материи, захваченной Солнцем при его движении в мировом пространстве. В процессе движения мелкие частицы околосолнечного облака постепенно сосредоточились в экваториальной части, и облако превратилось в плоский и быстро вращающийся диск. В уплотненном диске начали возникать многочисленные сгущения, причем взаимное притяжение частиц увеличивалось. Двигаясь вокруг Солнца, сгущения вычерпывали окружающее их рассеянное вещество диска. В итоге в околосолнечном пространстве сформировалась серия тел различных размеров и масс, которые непрерывно росли за счет присоединяющихся к ним более мелких частиц. Это были «зародыши» будущих планет. Земля и все другие планеты первоначально были холодными телами. Разогрев планет произошел позже в результате освобождения энергии радиоактивного распада и гравитационной энергии. На разогретой Земле появились вулканы, стали происходить землетрясения, движе -8 - Коми научный центр Уро РАН
ния земной коры, появились атмосфера и гидросфера. Одна из главных особенностей гипотезы О. Ю. Шмидта заключается в том, что проблема происхождения планет рассматривается вне связи с процессом образования Солнца. По гипотезе В. Г. Фесенкова, Солнце и планеты сформировались почти одновременно из одной и той же исходной среды при уплотнении гигантской газово-пылевой туманности, находящейся в неустойчивом состоянии. При этом возникло звездообразное сгущение— будущее Солнце, окруженное исходной газово-пылевой средой и вытянутое вместе с окружающим его облаком в плоскости экватора. Далее, в условиях очень быстрого вращения, свойственного первичному Солнцу, значительная часть газово-пылевой материи не смогла присоединиться к центральному сгущению и все больше и больше удалялась от центра туманности по плоскости экватора. Постепенное уплотнение газовопылевой материи вне центрального сгущения обусловило формирование периферических сгущений, превратившихся затем в современные планеты. XIX в. характеризуется дифференциацией геологических знаний и формированием многочисленных самостоятельных геологических наук. Этому содействовало, в частности, широкое применение в геологии физико-химических методов исследования, а также микроскопа для исследования горных пород, универсального столика В. С. Федорова для точных измерений оптических свойств минералов, бурения скважин для изучения земной коры и др. Значительных успехов добилась геология в XX в. В самом начале века было открыто явление радиоактивности. Использование его в геологии привело к созданию геохронологического метода — метода абсолютного исчисления возраста горных пород. В XX в. произошла дальнейшая дифференциация геологических наук. Успешно развивались такие разделы геологии, как стратиграфия, литология, геохимия, геофизика, тектоника и др. Исключительно большое значение приобрело учение о полезных ископаемых; невиданный размах получили практические геологические исследования, направленные на изучение геологии отдельных регионов, расширение минерально-сырьевой базы добывающих отраслей. В то же время геология объединялась с пограничными науками — геохимией и геофизикой для совместного познания глубинных зон земной коры и мантии. Начало современного этапа развития геологии обычно относят к 50-м гг. XX в. На первую половину 60-х гг. нынешнего столетия приходятся важные открытия в области изучения структуры дна океанов и природы срединно-океанических хребтов. В это время были заложены основы -9 - Коми научный центр Уро РАН
гипотезы «новой глобальной тектоники», или «тектоники плит». Многие геологи мира принимают ее в качестве рабочей гипотезы для объяснения процесса развития земной коры. За последние два десятилетия науки о Земле получил принципиально новый фактический материал, и еще более остро встал вопрос о построении целостной геологической теории. Однако в настоящее время единая теория глубинного строения и развития Земли еще не создана. Вопросы для самоконтроля 1. Первые попытки научного объяснения строения Земли, учение Птоломея. 2. Крушение птоломеевской системы, гениальный труд Николая Коперника «Об обращении небесных кругов». 3. Первое путешествие вокруг Земли (Христофор Колумб, Магеллан). 4. Первые попытки создать научную геологию (М. В. Ломоносов, А. Г. Вернер, Д. Геттон). 5. Знаменитый спор представителей двух притивоборствующих течений — «нептунистов» и «плутонистов». 6. Идея эволюции природы, космогоническая концепция немецкого философа Иммануила Канта, гипотеза Канта-Лапласа. 7. Современные космогенные гипотезы о происхождении планет. -10 - Коми научный центр Уро РАН
Глава 2. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ЗЕМЛИ Форма и рельеф Земли В первом приближении Земля имеет форму эллипсоида вращения: длина окружности земного меридиана составляет 40 008 550 м, длина экватора — 40 075 700 м, общая площадь земной поверхности около 510 млн км2. В действительности поверхность Земли существенно отличается от поверхности идеального эллипсоида вращения. Она характеризуется чередованием приподнятых и опущенных участков. Разница между ними достигает 20 км. Так, вершина Гималаев Джомолунгма имеет высоту над уровнем моря 8884 м, а глубина Марианской впадины в Тихом океане равна 11034 м. Геометрическую фигуру Земли ограничивают поверхностью океана, мысленно продолженной под материками таким образом, чтобы она всюду была перпендикулярна к направлению силы тяжести. Такая фигура, присущая только Земле, получила название геоида (греч. «ге» — земля, «идеа» — подобие). Одной из характерных особенностей Земли является разделение ее поверхности на океаны и моря, занимающие 361 млн км2 (70,8 %), и континенты и острова, на долю которых приходится 149 млн км2 (29,2 %). Если высоту материков (континентов) и глубины океанов выразить графически в качестве различных ступеней в общем рельефе Земли, то получим так называемую гипсографическую (греч. «гипос» — высота) кривую земного шара (рис. 1). Континенты не только уступают океаническому дну по площади; величина их поднятия над уровнем моря также не велика по сравнению с глубинами океанов. На суше высоты менее 1000 м составляют 75 % площади; средняя высота континентов над уровнем моря + 870 м. В океане преобладают глубины от 3000 до 6000 м; средняя глубина океанов — 3800 м. В рельефе океанического дна выделяют следующие элементы: пологую материковую отмель, или шельф (англ, «шелф» —отмель), простирающийся от берега до глубин около 200 м; более крутой континентальный склон (15 % площади Мирового океана), простирающийся до глубин 2500 м; океаническое ложе (около 76 % всей площади Мирового океана) и узкие глубоководные желоба, расположенные вблизи краевых горных хребтов, окаймляющих материки, или вблизи островных дуг. Ложе океана представлено огромными равнинами, на которых встречаются возвышенности, валы и горные хребты (рис. 2). Высота последних изменяется от нескольких сотен до нескольких тысяч метров. Местами над поверхностью океана выступают в виде островов отдельные -11 - Коми научный центр Уро РАН
Е2Ь БЕЪ Рис. 1. Главнейшие структурные элементы земной коры: 1 — щиты; 2 — платформы; 3 — подвижные пояса на континентах; 4 — контуры срединноокеанических хребтов; 5 — рифтовые долины и поперечные разломы; 6 — глубоководные желоба. Стрелками показано предполагаемое перемещение литосферных плит Рис. 2. Строение земной коры. Слои: 1 — «осадочный»; 2 — «гранитный»; 3 — «базальтовый»; 4 — «мантия» -12Коми научный центр Уро РАН
вершины конусообразных гор или цепочки таких гор. Наиболее высокими из них являются горы, образующие в Северной Атлантике Азорские острова. Высота их около 9000 м относительно дна океана и 2500 м относительно его поверхности. В последние десятилетия получены новые данные о строении океанического дна. Например, в Атлантическом океане выявлен Срединно-Атлантический хребет, возвышающийся над дном океана почти на 3 км (рис. 2). Он расположен почти на равном расстоянии от Американского континента, с одной стороны, и Европы и Африки — с другой. Ширина хребта исчисляется сотнями километров, а протяженность — тысячами километров. Почти повсеместно (за исключением района Тихого океана) вдоль осевых частей срединно-океанических хребтов тянется глубокая (до 3 км) и широкая (25—50 км) трещина типа ущелья. Она получила название рифта (англ, «рифт» — ущелье, расселина). Физические свойства Земли Поле силы тяжести. Все тела и предметы, находящиеся на поверхности Земли, испытывают ее притяжение. Пространство, в пределах которого проявляются силы притяжения Земли, называются полем силы тяжести, или гравитационным полем (лат. «гравитас» —тяжесть). Оно отражает характер распределения масс в недрах нашей планеты и тесно связано с формой Земли. Для каждой точки земной поверхности характерна определенная величина силы тяжести. В центре Земли сила тяжести равна нулю. Отклонения фактических значений ускорения силы тяжести от теоретически рассчитанных, связанные с неоднородностями внутри Земли, называются гравитационными аномалиями (греч. «а» —отрицание, «номос» — закон). Гравитационные аномалии регистрируются специальными приборами— гравиметрами (лат. «гравитас» — тяжесть, греч. «метрео» — измеряю). На их использовании основан гравиметрический метод геологических исследований. С помощью гравиметрических исследований установлено, что в горных областях проявляются отрицательные гравитационные аномалии, а в береговой полосе океанов — положительные. Это позволило предположить, что в основании гор располагаются легкие (2,8 г/см3) породы типа гранитов, тогда как под Тихим океаном располагаются тяжелые породы типа базальтов. Плотность Земли. Плотность вещества определяется отношением его массы к объему и измеряется в г/см3. Масса Земли составляет -13Коми научный центр Уро РАН
5,98-Ю27 г, а объем — 1,083-Ю27 см3. Следовательно, средняя плотность Земли равна 5,52 г/см3. Это значение было вычислено еще И. Ньютоном. Но фактические измерения плотности горных пород, слагающих верхнюю оболочку — земную кору, дают значения плотности, не превышающие 2,4—2,9 г/см3. Отсюда напрашивается вывод, что плотность вещества глубинных частей Земли значительно выше. Это подтверждается и геофизическими исследованиями. По расчетным данным, на глубине 2900 км плотность вещества Земли равна 5,5—5,7 г/см3. А непосредственно ниже этой границы она скачкообразно возрастает до 9,5—10,0 г/см3. В центре Земли плотность вещества, возможно, превышает 12,5 г/см3. Давление. Давление в любой точке внутри Земли измеряется весом столбика вещества с поперечным сечением 1 см2 и длиной, равной расстоянию от данной точки до земной поверхности. Вещество Земли с глубиной испытывает все большее воздействие давления вышележащих толщ горных пород. Учитывая плотность Земли и изменения ускорения силы тяжести, можно подсчитать давление на различных глубинах. По В. А. Магницкому, на глубине 1 км давление равно 275 атм.; у подошвы земной коры на глубине 50 км — около 13 000 атм. На границе мантии и ядра (2900 км) давление составляет около 1,3—1,4 млн атм, а в центре Земли — свыше 3 млн атм. Магнитное поле Земли. Уже в глубокой древности людям были известны магнитные свойства Земли. Научное объяснение геомагнетизму дал впервые в 1600 г. придворный врач английской королевы Елизаветы I Вильям Гильберт. Он показал, что магнитное поле Земли сходно с полем магнитного диполя (два полюса), т. е. Земля представляет собой как бы гигантский магнит шаровидной формы. Позднее было установлено, что земное магнитное поле сходно с полем сферического магнита, ось которого наклонена к оси вращения Земли на 11°. В силу этого магнитные полюса не совпадают с географическими полюсами. С помощью космических средств установлено, что магнитное поле простирается на расстояние до 93 тыс. км от поверхности Земли. Для каждой точки земной поверхности рассчитывается теоретическое значение магнитного поля исходя из однородного строения Земли. Но в действительности магнитное поле в различных местах неодинаково. Обычно оно отличается от среднего значения, теоретически вычисленного для данной местности. Такие отклонения называются магнитными аномалиями. Магнитные аномалии используются для изучения строения земной коры и поисков месторождений полезных ископаемых. Они улавливаются специальными приборами — магнитометрами. Методы изучения строения земной коры и поисков полезных ископаемых, основанные на -14 - Коми научный центр Уро РАН
магнитных свойствах горных пород, называются магнитометрическими методами, или магниторазведкой. Тепловое поле Земли. Температура земных недр с глубиной нарастает. Об этом свидетельствуют вулканические извержения и рост температуры при погружении в глубокие шахты и буровые скважины. Своеобразными «термометрами» являются первичные очаги вулканов. Они располагаются на глубинах около 100 км, где вещество Земли находится в расплавленном состоянии. А температура плавления лав известна и равна около 1200 °С. О температуре больших глубин можно судить исходя из тех или иных гипотез. Глубину в метрах, на протяжении которой температура увеличивается на 1°, принято называть геотермической ступенью. А изменение температуры в градусах на единицу длины называют геотермическим градиентом. В среднем температура повышается на 1 °С при углублении на 33 м, однако это справедливо лишь для поверхностных частей земной коры. Сейчас не вызывает сомнений, что с глубиной температура повышается все медленней. В центре Земли она, вероятно, не превышает 4000 °С. Средний геотермический градиент равен 30 °С/км, но в различных районах значения геотермического градиента различны и могут колебаться от 5 до 200 °С/ км. Наиболее низок он в областях, закончивших активную жизнь в ранние геологические эпохи. Так на Украинском кристаллическом щите геотермический градиент равен 8,3 °С/км, в Закарпатской впадине — 35,7 °С/км, а в районах современных действующих вулканов он достигает 200 °С/км. Упругие свойства Земли. Если сдавить пальцами обычную школьную резинку, а затем прекратить сжатие, то резинка полностью восстановит свой объем и форму. Такое свойство вещества сопротивляться изменению его объема и формы под воздействием механических напряжений называется упругостью. Вследствие упругости твердые тела оказывают сопротивление сжатию или растяжению, а также усилиям, направленным на изменение их формы, например, путем закручивания. Если в массиве горных пород происходит взрыв, то возникают упругие колебания, распространяющиеся подобно волнам на воде во всех направлениях. Они переходят последовательно от одной частицы горных пород к другой все дальше и далше от источника сотрясения. Такие колебания называются упругими или сейсмическими волнами. Сейсмические волны делятся на объемные и поверхностные. Объемные волны получили свое название, потому что пронизывают весь объем Земли; поверхностные волны распространяются вдоль земной поверхности. Различают два типа объемных волн: продольные (Р) и поперечные (8). В продольных волнах упругие колебания частиц вещества происходят в направлении распространения волны. В поперечных волнах частицы вещества смещаются перпендикулярно направлению распространения волны. Продольные волны возникают в твердой, жидкой и -15 - Коми научный центр Уро РАН
RkJQdWJsaXNoZXIy MjM4MTk=