Реферат: Основные характеристики планеты
Внутреннее строение земли
Основные характеристики планеты
Длительное существование воды и жизни на поверхности Земли стало возможным благодаря трем основным характеристикам — ее массе, гелиоцентрическому расстоянию и быстрому вращению вокруг своей оси.
Именно эти планетарные характеристики определили единственно возможный путь эволюции живого и неживого вещества Земли в условиях Солнечной системы, итоги которого запечатлены в неповторимом облике планеты. Эти три важнейшие характеристики у других восьми планет Солнечной системы существенно отличаются от земных, что и явилось причиной наблюдаемых различий в их строении и путях эволюции.
Масса современной Земли равна 5,976·1027 г. В прошлом вследствие непрерывно протекающих процессов диссипации летучих элементов и тепла она, несомненно, была больше. Масса планеты играет определяющую роль в эволюции протовещества. Шарообразная форма Земли свидетельствует о преобладании гравитационной организации вещества в теле планеты.
С ростом глубины растут давление и температура. Вещество переходит в расплавленное и даже ионизованное состояние, благодаря чему возрастает его химический потенциал. Тем самым создаются предпосылки для длительной термической и, следовательно, геологической активности планеты.
Средний радиус гелиоцентрической орбиты Земли (расстояние от Солнца) равен 149,6 млн. км. Эта величина принята в качестве астрономической единицы. Почему мы выделяем этот параметр среди множества других? Дело в том, что на этом расстоянии количество солнечного тепла, достигающего поверхности Земли, таково, что выносимая из недр вода имеет возможность длительное время сохраняться в жидкой фазе, формируя обширные океанические и морские бассейны. Уже на орбите Венеры, расположенной на 50 млн. км ближе к Солнцу, и на орбите Марса, расположенного на 70 млн. км дальше от Солнца, чем Земля, таких условий нет.
На Венере из-за избытка солнечного тепла вода испаряется и может существовать только в атмосфере планеты, на Марсе из-за недостатка тепла пребывает в замерзшем состоянии под грунтом планеты (возможно, в форме мерзлоты). И наконец, вращение Земли: полный оборот вокруг своей оси относительно Солнца планета делает за 24 часа, или за 86400 с; относительно звезд — за 86164 с.
Благодаря столь быстрому вращению возникли динамические условия, необходимые для образования земного магнитного поля.
Без магнитного экрана развитие современных форм жизни при прочих благоприятных условиях было бы невозможно.
Поток солнечных частиц высоких энергий беспрепятственно достигал бы земной поверхности, неся гибель живому веществу. Жизнь в этих условиях могла бы зародиться и существовать лишь под водой или глубоко в грунте. Суша являла бы собой мертвые пустыни, лишенные растительности и каких-либо живых существ.
Суточное вращение Земли обеспечивает также попеременное нагревание и охлаждение ее поверхности. Это способствует развитию водной и воздушной циркуляции, ускорению динамики всех процессов жизнедеятельности биосферы, преобразованию вещества земной коры.
Наклон оси вращения к плоскости орбиты (23°27¢) приводит к периодическому (сезонному) изменению количества солнечного тепла, получаемого различными участками земной поверхности при движении планеты по гелиоцентрической орбите. Полное обращение вокруг Солнца Земля делает за 365,2564 звездных суток (сидерический год), или 365,2422 солнечных суток (тропический год).
Площадь поверхности Земли равна 510 млн. км2, средний радиус сферы — 6371 км.
Модель Буллена
Современные представления о внутреннем строении Земли базируются на данных наблюдений за прохождением продольных (Р), поперечных (S) и поверхностных сейсмических волн, возникающих при землетрясениях. Согласно этим данным, Земля имеет сложно-дифференцированное строение и состоит из оболочек, характеризующихся различной скоростью прохождения Р и S волн.
/>
Рис. III.1. Изменение скоростей для волн
Р и S внутри Земли: I — мантия;
II — внешнее ядро; III — внутреннее ядро
Наиболее резкие изменения упругих свойств наблюдаются на глубинах около 10-40 и 2900 км от поверхности Земли. В первом случае скорость продольных волн увеличивается скачком от 6,5 до 8,1 км/с; во втором — резко уменьшается с 13,25 до 8,5 км/с (рис. III.1).
Верхняя граница (8,1 км/с) была впервые обнаружена югославским сейсмологом Андреем Мохоровичичем в 1909 г. при анализе сейсмологом Загребского землетрясения 8 октября 1909 г. Эта граница условно принята за подошву земной коры. Она получила название граница Мохоровичича, или граница М.
Нижняя граница (13,25-8,5 км/с) впервые была установлена немецким геофизиком Бено Гутенбергом в 1914 г. при изучении записи землетрясений с элицентральными расстояниями более 80° от Геттингена. Граница Гутенберга характеризует переход от оболочки к ядру Земли.
Наличие у Земли обширного ядра уверенно устанавливается исчезновением волн Р и S на эпицентральных расстояниях в 105° (11 тыс. км) и наличием зоны тени между 105 и 142°.
Волна Р появляется вновь между 142 и 180° с большим запаздыванием. Впервые это было установлено Олдгеном в 1906 г. и впоследствии учтено Гутенбергом (Гутенберг, 1963). Резкое уменьшение скорости Р и непрохождение (или очень сильное ослабление) волны S являлось надежным свидетельством того, что в диапазоне глубин 1500-2900 км (считая от центра Земли) вещество обладает физическими свойствами, близкими к жидкости, поскольку, как это следует из выражения для определения скорости распространения поперечных волн, Сs =/>, для жидких сред модуль сдвига m = 0 и поперечные волны в них не распространяются. Однако здесь правильнее говорить не о жидком состоянии вещества внешнего ядра, которое, как будет показано ниже, обладает все-таки ненулевой жесткостью, а о том, что это вещество является абсолютно несжимаемым или приближается к этому состоянию. Аналогичными свойствами обладает и жидкость.
В 1936 г. датчанка Инга Ломан установила существование внутреннего твердого субъядра. В последующие годы благодаря возросшему числу сейсмологических станций (в 1971 г. их было 1620) наличие внутреннего твердого субъядра было подтверждено регистрацией отраженных Р волн от его поверхности.
/>
Рис. III.2. Внутреннее строение Земли. Заштрихованы области внешнего ядра
и астеносферы: А — земная кора;
ВС — верхняя мантия; D — оболочка;
Е — верхнее (жидкое) ядро;
F — переходная зона; G — внутреннее ядро
Очень скоро вслед за выделенными границами внутри Земли были надежно установлены еще две зоны изменения упругих свойств — в интервале глубин 50-250 км и на глубине порядка 900 км. Слой верхней мантии в интервале глубин 50-250 км характеризуется заметным уменьшением скоростей Р и S волн: соответственно с 8,1 и 4,6 км/с в верхах мантии до 7,8 и 4,3 км/с на глубинах 100-250 км под континентами и 50-60 км под океанами. Этот слой пониженных скоростей получил название «20°-границы», или «волновод Гутенберга». Твердый субстрат выше волновода (под древними докембрийскими щитами он совпадает с границей Мохоровича) получил название литосферы, а подстилающая область верхней мантии вплоть до глубин 250-400 км, где находится нижняя граница волновода, — астеносферы (рис. III.2).
Начиная с глубин 250-400 км и 900 км сейсмология землетрясений указывает на аномально быстрое возрастание скоростей Р и S волн с 8,1 и 4,5 км/с до 11,2 и 6,0 км/с соответственно (см. рис. III.1).
Выделение главнейших границ в теле Земли по характеру изменения скоростей распространения упругих волн позволило К. Буллену (1956), а затем Б. Гутенбергу (1963) построить реальную модель внутреннего строения планеты (см. рис. III.2). Ниже приведена таблица основных границ и скоростей распространения волн внутри Земли, а также фактора Q, характеризующего затухание волн внутри сферических оболочек.
Таблица III.1 Положение границ, скорости распространения и затухания сейсмических волн внутри Земли
Слой
Глубина, км
Скорость волн, км/с
Q
P
S
A
0-33
6,75
3,8
450
B
33-400
8,06-9,64
4,5
60
C
400-900
11,4
7,18
150-550
D
900-2900
13,60
7,18
2000
E
2900-5000
7,50-10,0
4000
F
5000-5100
10,26
4000
G
--PAGE_BREAK----PAGE_BREAK--
вый
Миоценовая
N
Желтый
21
Олигоценовая
Палеоге-
Эоценовая
Р
Оранжевый
42
новый
Палеоценовая
Поздняя
Меловой
Средняя
К
Зеленый
70
Ранняя
Поздняя
Юрский
Средняя
J
Синий
55-60
Ранняя
Поздняя
Триасовый
Средняя
Т
Фиолето-
40
Ранняя
вый
Поздняя
Пермский
Р
Желто-
55
Ранняя
коричневый
·max
Каменно-
Поздняя
угольный
Средняя
С
Серый
65
Ранняя
Поздняя
Девонский
Средняя
D
Коричне-
55
·max
Ранняя
вый
Силурий-
Поздняя
S
Грязно-
30
ский
Ранняя
зеленый
Поздняя
Ордовик-
Средняя
О
Оливково-
60
ский
Ранняя
зеленый
Поздняя
Кембрий-
Средняя
Є
Лиловый
>70
ский
Ранняя
·max
Проте-
PR
Розовый
>2000
розой
Докембрий
Архей
AR
Малино-
3500
вый
--PAGE_BREAK--
Более дробными единицами шкалы являются века (ярусы). Продолжительность веков 2-10 млн. лет (на порядок меньше, чем периодов). Индексация и раскраска их на графике выполняются по этому же принципу. Например, обозначение Р12читается как средний век ранней перми, а Р13как поздний век ранней перми, и отложения последнего на картах должны быть светлее, чем отложения, датируемые как Р12. Кроме того, эти подразделения имеют географические названия: Р12— артинский ярус, Р13— кунгурский ярус.
Четвертичный период единственный включает 4 эпохи: раннюю (Q1), среднюю (Q2), позднюю (Q3) и голоценовую (Q4).
Геохронологическая шкала позволяет классифицировать и сопоставлять геологические явления и процессы. Она упорядочила установление их последовательности, позволила оценить хронологию событий, и в этом ее огромное значение для всего комплекса наук о Земле.
Процессы, формирующие земную кору
Литосфера, атмосфера, гидросфера контактируют в зоне верхней границы земной коры, где вместе с биосферой формируют наиболее сложную и активную реакционную сферу Земли. Именно здесь и в тектоносфере осуществляются процессы, создающие земную кору и изменяющие ее строение и состав. Эти процессы называются геологическими. Геологические процессы, энергетически связанные с тектоносферой, называют эндогенными (внутренними), с верхней реакционной сферой — экзогенными (внешними).
Экзогенные процессы развиваются на поверхности Земли и в приповерхностных слоях земной коры. Главными причинами, вызывающими эти процессы, являются: лучистая энергия Солнца, притяжение Солнца и Луны, поступление вещества из Космоса. Важнейшими экзогенными процессами являются выветривание и круговорот воды. Выветривание заключается в разрушении горных пород и минералов под действием физических и химических факторов. Прежде всего, это нагревание и охлаждение, химическое воздействие на горные породы кислорода, углекислого газа, водяных паров и водных растворов. Физическое и химическое выветривание производят и представители биосферы.
Воды, выпавшие в виде атмосферных осадков на континент, частично испаряются. Часть их формирует ручьи, реки, накапливается в виде льда и снега в зонах сурового климата, фильтруется в землю, образуя ниже земной поверхности залежи подземных вод. И вода, и снег, и лед выполняют огромную разрушительную работу, в результате которой горные породы измельчаются и испытывают глубокое преобразование изначального минерального и химического состава. И твердые обломки, и растворенное вещество транспортируются к месту их накопления (аккумуляции). Таким образом, все экзогенные процессы осуществляются по схеме: разрушение ®транспортировка ®аккумуляция. Основными экзогенными процессами являются геологическая деятельность ветра, рек, дождевых, талых и подземных вод, морей, океанов, озер, болот, ледников, а также процессы, осуществляющиеся в мерзлых породах. В разрушительную стадию всех перечисленных процессов создается осадочный материал, который накапливается как на суше, так и в водоемах, причем в водоемах аккумулируется большая его часть. Осаждаясь на дне водоемов, осадочный материал формирует осадочную толщу. Это процесс осадконакопления, или седиментации. В составе осадочной толщи различаются отдельные слои. Каждый слой фиксирует какие-либо изменения в условиях накопления осадочной толщи.
Как уже говорилось, в экзогенных процессах важную роль играет биосфера. В хлорофилле зеленых растений, в том числе и водорослей, путем фотосинтеза и при участии углекислого газа и воды образуются углеводы и свободный кислород. Кислород поступает в атмосферу и обеспечивает жизнь в Мировом океане. Продукты же жизнедеятельности организмов образуют такие органогенные образования, как торф, сапропель, бурый уголь в континентальных водоемах и органогенные илы на дне морей и океанов.
По мере того как мощность осадочной толщи возрастает, нижние ее слои уплотняются и осадок литифицируется — превращается в осадочную горную породу. Совокупность процессов образования осадков и преобразования их в осадочные горные породы называется литогенезом.
Осадочные горные породы залегают слоями. Слой — это геологическое тело, ограниченное примерно параллельными плоскостями, верхняя из которых именуется кровлей, нижняя — подошвой. Следовательно, мощность слоя на всем его протяжении примерно одинакова. Протяженность слоя всегда много больше его мощности.
Эндогенные процессы, охватывающие тектоносферу, часто именуются тектоническими. Тектонические процессы связаны с внутренней активностью Земли. Их движущей силой является огненно-жидкий расплав — магма. Этот поток материи и тепла, периодически устремляющийся к поверхности из недр планеты, обеспечивает геологический процесс, называемый магматизмом. В результате застывания магмы на глубине (интрузивный магматизм) возникают интрузивные тела — батолиты, штоки, пластовые интрузии, дайки и т.д. Застывшая на поверхности Земли магма образует лавовые потоки и покровы. Это эффузивный тип магматизма. Современный эффузивный магматизм именуют вулканизмом (рис. III.5).
/>
Рис. III.5. Формы залегания магматических пород
С магматизмом связано извержение вулканов, возникновение землетрясений, складкообразование, разрыв слоев, поднятие и опускание территорий.
Подъем и опускание земной коры обусловлены проявлением тектонических движений. На разных временных отрезках развития Земли направленность этих движений может быть различной, но результирующая их составляющая направлена либо вниз, либо вверх. Движения, направленные вниз и ведущие к опусканию земной коры, именуются нисходящими, или отрицательными; движения, направленные вверх и ведущие к подъему, — восходящими, или положительными. Совокупность тектонических движений и процессов, под воздействием которых формируется структура земной коры, именуется тектогенезом. В результате тектогенеза одни территории воздымаются, другие — опускаются. Воздымание земной коры влечет за собой перемещение береговой линии в сторону суши — трансгрессию, или наступление моря. При опускании, когда море отступает, говорят о его регрессии. В результате тектогенеза поверхность Земли может пересекать нулевой уровень, т.е. морские условия могут сменяться континентальными и наоборот.
Тектонические движения сминают и разламывают слои осадочных пород. Движения, ведущие к образованию складок, называются складкообразовательными. Такие движения не нарушают сплошности слоев, а лишь изгибают их. Простейшими складками являются антиклинали и синклинали. (Выпуклая складка, в ядре которой залегают наиболее древние породы, именуется антиклинальной, а вогнутая с молодым ядром — синклинальной.) В земной коре антиклинали всегда переходят в синклинали, и поэтому эти складки всегда имеют общее крыло. В этом крыле все слои примерно одинаково наклонены к горизонту. Это моноклинальное окончание складок (рис. III.4). Складки образуются в породах, обладающих некоторой пластичностью.
Если породы потеряли пластичность (приобрели жесткость), слои разламываются, а их части смещаются по плоскости разлома. При смещении вниз говорят о сбросе, вверх — о взбросе. При смещении под очень малым углом наклона к горизонту — о поддвиге и надвиге. В потерявших пластичность жестких породах тектонические движения создают разрывные (глыбовые, тектонические) структуры, простейшими из которых являются горсты и грабены (рис. III.4).
Складчатые структуры после потери пластичности слагающими их горными породами могут быть разорваны сбросами (взбросами). В результате в земной коре возникают антиклинальные и синклинальные нарушенные структуры.
Тектонические движения, ведущие к образованию гор, именуются орогеническими (горообразовательными), а сам процесс горообразования — орогенезом. В истории развития Земли выделяют несколько орогенических фаз. Самые древние структуры сформированы в каледонскую фазу складчатости, которая завершилась в силурийском периоде. Девонский, каменноугольный и пермский периоды примечательны герцинским (варисским) орогенезом, на смену которому пришли альпийские горообразовательные движения. Кайнозойские подвижки именуют новейшими и современными (табл. III.2).
Эндогенные и экзогенные процессы действуют противонаправленно: эндогенные создают тектонические поднятия и прогибы, экзогенные разрушают поднятия, а материал разрушения транспортируют в понижения, в том числе и в океаны и моря. Скорость этих деяний природы достаточно велика — самые высокие на Земле горы за несколько миллионов лет оказываются выровненными.
Литература
1. Саушкин Ю.Г. Географическая наука в прошлом, настоящем, будущем: Пособие для учителей. М.: Просвещение, 1980. 269 с.
2. Энциклопедия для детей. Т. 3. География. 2-е изд., перераб. и доп. / Глав. ред. М.Д. Аксенова. М.: Аванта+, 1997. 704 с.