Образование и внутреннее строение Земли. Сейсмологический метод и его роль в изучении Земли.

Современные гипотезы образования Земли и других планет

солнечной системы основаны на выдвинутой в Χ VΙ Ι Ι в. И. Кантом

(Германия) и независимо от него П. Лапласом (Франция) концепции

образования планет из пылевого вещества и газовой туманности. В Χ Χ в.

эту концепцию развивали О.Ю. Шмидт (СССР), К. Вейцзекер (Германия),

Ф. Фойл (Англия), А. Камерон (США) и Э. Шацман (Франция).

Кант и Лаплас обратили внимание на то, что Солнце горячее, а

Земля холодная и по своему размеру много меньше, чем Солнце. В то же

время Земля - лишь одна из планет. Все планеты обращаются по

окружностям, в одну и ту же сторону и почти в одной и той же плоскости.

Это составляет основные отличительные черты Солнечной системы,

которые должны быть объяснены в первую очередь.

Кант и Лаплас утверждали, что в природе все непрерывно

изменяется, развивается. И Земля и Солнце раньше не были такими, какие

они сейчас, а составляющее их вещество существовало совсем в другом

виде.

Лаплас обосновал свою гипотезу более убедительно. Он считал, что

когда-то Солнечной системы не было, а была первичная разряженная и

раскаленная газовая туманность с уплотнением в центре. Она медленно

вращалась, и размеры ее были больше, чем теперь поперечник самой

удаленной от Солнца планеты.

Гравитационной притяжение частичек туманности друг к другу

приводило к сжатию туманности и уменьшению ее размеров. Согласно

закону сохранения момента импульса при сжатии вращающегося тела

скорость его вращения возрастает. Поэтому при вращении туманности

большое количество частичек на ее экваторе (которые вращались быстрее,

чем у полюсов) отрывались, или, точнее, отслаивались от нее. Вокруг

туманности возникало вращающееся кольцо. Вместе с тем туманность,

шарообразная вначале, вследствие центробежной силы сплющивалась у

полюсов и становилась похожей на линзу.

Все время сжимаясь и ускоряя свое вращение, туманность

постепенно отслаивала от себя кольцо за кольцом, которые вращались в

одну и ту же сторону и в одной и той же плоскости. Газовые кольца

имели неоднородности плотности. Наибольшее сгущение в каждом из142

колец постепенно притягивало к себе остальное вещество кольца. Так

каждое кольцо превращалось в один большой газовый клубок,

вращающийся вокруг своей оси. После этого с ним повторялось то же, что

с огромной первичной туманностью: он превращался в сравнительно

небольшой шар, окруженный кольцами, опять сгущавшимися в

небольшие тела. Последние, охладившись, становились спутниками

больших газовых шаров, обращавшихся вокруг Солнца и после

затвердевания превратившихся в планеты. Наибольшая часть туманностей

сосредоточилась в центре; она не остыла до сих пор и стала Солнцем.

Гипотеза Лапласа была научной, поскольку основывалась на

законах природы, известных из опыта. Однако после Лапласа были

открыты новые явления в Солнечной системе, которые его теория не

могла объяснить. Например, оказалось, что планета Уран вращается

вокруг своей оси не в ту сторону, куда вращаются остальные планеты.

Были лучше изучены свойства газов и особенности движения планет и их

спутников. Эти явления также не согласовывались с гипотезой Лапласа и

от нее пришлось отказаться.

Известный советский ученый академик О.Ю. Шмидт предложил

гипотезу, в разработке которой приняли участие астрономы, геофизики,

геологи и другие ученые и согласно которой Земля и другие планеты

никогда не были раскаленными газовыми телами, подобными Солнцу и

звездам, а должны были образоваться из холодных частиц вещества. Эти

частицы первоначально двигались беспорядочно. Затем их орбиты

становились круговыми и располагались примерно в одной и той же

плоскости. При этом направление вращения частиц в какую-либо

определенную сторону со временем начинало преобладать, и в конце

концов все частицы стали вращаться в одну и ту же сторону.

В результате столкновения частиц при первоначальном

беспорядочном движении энергия их движения частично переходила в

тепло и рассеивалась в пространство. Расчеты показали, что в результате

этих процессов шарообразное облако постепенно сплющивалось и

наконец стало по форме похожим на блин. Далее гравитационное

взаимодействие привело к росту более крупных частиц путем захвата ими

мелких частиц. Таким образом, большая часть пылинок собралась в

несколько гигантских комков вещества, которые стали планетами.

Согласно оценкам, полученным Шмидтом, для образования

Солнечной системы потребовалось 6-7 млрд. лет, что по порядку143

величины согласуется с данными, полученными в результате

изотопического анализа.

По гипотезе Шмидта Земля никогда не была огненно-жидкой, а

разогрев внутренней области Земли произошел в результате ядерных

реакций распада тяжелых элементов, входящих в состав первоначального

вещества.

Внутреннее строение Земли:

Материалы, слагающие твердую Землю непрозрачны и плотны.

Прямые исследования их возможны лишь до глубин составляющих

ничтожную часть радиуса Земли. Самые глубокие пробуренные скважины

и имеющиеся в настоящее время проекты ограничены глубинами 10 - 15

км, что составляет немногим более 0, 1 % от радиуса. Возможно, что

проникнуть на глубину более нескольких десятков километров не удастся.

Поэтому сведения о глубоких недрах Земли получают, используя лишь

косвенные методы. К ним относятся сейсмический, гравитационный,

магнитный, электрический, электромагнитный, термический, ядерный и

другие методы. Наиболее надежным из них является сейсмический. Он

основан на наблюдении сейсмических волн, возникающих в твердой

Земле при землетрясениях. Подобно тому как рентгеновские лучи

позволяют исследовать состояние внутренних органов человека,

сейсмические волны, проходя через земные недра, дают возможность

составить представление о внутреннем строении Земли и об изменении

физических свойств вещества земных недр с глубиной.

Сейсмические волны подразделяются на продольные и поперечные

в соответствии с тем, что смещение вещества при колебаниях направлено

вдоль и поперек направления распространения волны. Продольные волны

могут распространяться как в жидкости, так и в твердом веществе, а

поперечные - только в твердых породах. Кроме того, скорость

продольных волн в твердом веществе примерно в 1, 7 раза превышает

скорость поперечных волн. Располагая сетью сейсмических станций на146

поверхности Земли, записывая показания приборов, регистрирующих

землетрясения - сейсмографов и сравнивая эти показания, можно

определить эпицентр землетрясения, а также скорость распространения

волн в различных внутренних областях планеты. Поскольку скорость

распространения волн зависит от плотности и упругости вещества, можно

получить данные об этих параметрах, а также об агрегатном состоянии

вещества (жидкое или твердое) во всей внутренней области Земли.

Помимо пассивного исследования сейсмических волн в настоящее

время применяют метод глубинного сейсмического зондирования,

предложенный в 1949 г. советским сейсмологом Г.А. Гамбурцевым. Этот

метод заключается в использовании генерируемых с помощью взрыва

сейсмических волн, которые регистрируются сейсмографами,

установленными с интервалом всего 200 - 500 м друг от друга. Этот метод

дает самые надежные результаты, однако практическое использование его

требует больших денежных затрат.

В результате сейсмических исследований было определено, что

внутренняя область Земли неоднородна по своему составу и физическим

свойствам, и образует слоистую структуру (рис. 11.1). Здесь мы лишь

кратко перечислим размеры и основные физические параметры этих

слоев:

1. Верхний слой Земли называется земной корой и подразделяется на

несколько слоев. 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. Общая мощность (толщина)

осадочных пород не превышает 15 - 20 км.

Различие скорости распространения сейсмических волн на

континентах и на дне океана позволило сделать вывод о том, что на Земле

существуют два главных типа 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 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 границу между

гранитным и базальтовым слоями. Океаническая кора гораздо тоньше (5 -

8 км). По составу и свойствам она близка к веществу нижней части

базальтового слоя континентов. Но этот тип коры свойствен только

глубоким участкам дна океанов, не менее 4 тыс. м. На дне океанов есть

области, где кора имеет строение континентального или промежуточного

типа. Поверхность Мохоровичича (по имени открывшего ее югославского

ученого), на границе которой резко изменяется скорость сейсмических

волн, отделяет земную кору от мантии.

2. Мантия распространяется до глубины 2900 км. Она

подразделяется на 3 слоя: верхний, промежуточный и нижний. В верхнем

слое скорости сейсмических волн сразу за границей Мохоровичича

растут, затем на глубине 100 - 120 км под континентами и 50 - 60 км под

океанами этот рост сменяется слабым уменьшением скоростей, а далее на

глубине 250 км под континентами и 400 км под океанами уменьшение

вновь сменяется ростом. Таким образом, в этом слое имеется область

пониженных скоростей - астеносфера, характеризуемая относительно

малой вязкостью вещества. Некоторые ученые считают, что в астеносфере

вещество находится в «кашеподобном» состоянии, т.е. состоит из смеси

твердых и частично расплавленных пород. В астеносфере находятся очаги148

вулканов. Они образуются, вероятно, там, где по каким-либо причинам

понижается давление и, следовательно температура плавления вещества

астеносферы. Понижение температуры плавления приводит к

расплавлению вещества и образованию магмы, которая затем по

трещинам и каналам в земной коре может излиться на поверхность Земли.

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.

Вещество в этих двух слоях находится в твердом, по-видимому,

кристаллическом состоянии.

3. Под мантией находится земное ядро с радиусом 3471 км. Оно

подразделяется на жидкое внешнее ядро (слой между 2900 и 5100 км) и

твердое ядрышко. При переходе от мантии к ядру резко изменяются

физические свойства вещества, по-видимому в результате высокого

давления.

Температура внутри Земли с глубиной повышается до 2000 -

3000С, 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 г / см3

на поверхности до 6, 8 г / см3

на границу ядра Земли, а в центральных областях составляет

примерно 16 г / см3. Давление возрастает с глубиной и достигает на

границе между мантией и ядром 1, 3 млн. атм, а в центре ядра - 3, 5 млн.

атм.