Геология – комплекс наук о Земле

Лекция 12 - 13

Концепции современной геологии

Геология – комплекс наук о Земле.

Методы  изучения Земли

• До  глубины 12-15 км – непосредственное изучение (Кольская скважина).
• До глубины ≈ 200 км – вещество недр Земли выносится на ее поверхность и становится доступным для изучения.

  На  глубине ≈ 200 км создается настолько  высокое давление, что обычный  каменный уголь превращается в алмазы (у этих веществ – одинаковый хим. состав – С), которые вместе с другими веществами мантии иногда выносятся на поверхность Земли вулканическими магмами (образуются т.н. «кимберлитовые трубки»).

 

• Более глубокие слои:
• Регистрация характера прохождения сейсмических (звуковых) волн, возникающих при землетрясениях и атомных взрывах (основная информация).

  На  сейсмических станциях регистрируется средняя скорость прохождения сейсмических волн через различные части Земли. Т.к. скорость звука зависит от плотности среды, геофизики рассчитали плотность различных частей Земли и сделали вывод о минеральном составе этих частей.

 

• Анализ  вещества метеоритов, которое периодически выпадает из космоса и становится доступным прямому изучению (исходя из допущения, что метеориты – остатки протопланетного облака, из которого образовалась и Земля, отражающие его состав и структуру). К этим данным надо относиться с осторожностью, т.к. еще нет общепризнанной модели эволюции СС.

Общие сведения о Земле

• Форма – геоид: R_экв. > R_{полярн.} (6378≠6357);
• Длина экватора ≈ 40 000 км;
• S_{поверхности} ≈ 510 млн. км² (суша – 29%, моря и океаны – 71%);
• Масса = 6·10²¹ т.

Строение Земли

    Сейсмические  исследования показали, что Земля  имеет сложное строение и слагается  из нескольких геосферных оболочек различной плотности и хим. состава.

Геосферные  оболочки:

1. Ядро

Внутреннее  ядро –

• шар d = 2 500 км с кристаллической структурой;
• 90% Fe, t > 4 000ºC.

Внешнее ядро  –

• Жидкое, содержит Fe, его оксиды, примеси Si, S.

Fe ядра обеспечивает земной магнетизм (за счет конвекции внешнего ядра).

Палеомагнитные  данные: в древних породах зафиксировано направление магнитного поля → свидетельство неоднократной смены магнитных полюсов Земли.

 

    2. Мантия –

• жидкая, но очень вязкая; состоит из оксидов Si, Mg, Fe; наружный слой - астеносфера (astenes – слабый);
• очень плохо проводит тепло → Земля остывает очень медленно;
• вещество мантии постоянно перемешивается (конвективное движение), в результате этого:

• происходит перемещение литосферных плит;
• на поверхность извергаются высокотемпературные лавы (~ 1300ºС).

 

    3. Кора (литосфера) (litos – камень)  –

• внешняя оболочка Земли, толщина: под океанами 5-10 км, под материками до 70 км (океаническая кора двухслойна, континентальная – трехслойна).

    Если  бы Землю можно было сжать до размеров яблока, то самые толстые части  земной коры были бы толщиной с кожицу.

 

• состоит из холодных и жестких плит, которые  перемещаются друг относительно друга благодаря податливости астеносферы.

    Вся поверхность Земли (включая океаны!) представляет собой как бы гигантскую мозаику, собранную из литосферных плит (Евразийская, Африканская, Североамериканская, Южноамериканская, Тихоокеанская, Индо-Австралийская, Антарктическая).

• образовалась в результате плавления внутренних частей Земли, переноса кипящих жидкостей к поверхности и выветривания горных пород.

 

Кора  – наиболее известная нам часть  планеты. Массы, из которых состоит  земная кора – горные породы.

Основные  типы горных пород:

• Магматические (изверженные) – гранит, базальт, пемза – около 60% коры.
• Осадочные (образуются при осаждении и отложении обломочного материала и живых организмов) – щебень, пески, глины, известняки, уголь, нефть, янтарь.
• Метаморфические (магматические или осадочные породы, претерпевшие изменения в недрах Земли) – мрамор, алмазы, слюда, кварциты.

 

    4. Гидросфера –

• состоит из воды океанов, морей, рек, озер, подземных источников, материковых льдов.
• большая часть воды сосредоточена в Мировом океане (~63%);
• пресные воды суши – не > 0,05% всех вод.
• глубина океана: средняя ~ 3700 м, наибольшая – 11022 м (Марианский желоб).

 

    5. Атмосфера –

• газовая оболочка; состав у поверхности: 78% N₂, 21% O_2,  <1% Ar, 0,03% CO₂;
• на высоте 20-25 км – слой О₃ (предохраняет живые организмы от УФ-излучения).
• Слои атмосферы (половина воздуха сосредоточена на высотах ниже 6 км!):

 

• Тропосфера (до 18 км);
• Стратосфера (до 55 км);
• Мезосфера (до 88 км);
• Ионосфера (до 800 км);
• Экзосфера (до 2000-3000 км).

 
 

    6. Магнитосфера – магнитное поле Земли.

    С дневной стороны магнитосфера находится  примерно на расстоянии, равном 10 R_Земли, а с ночной она расположена гораздо дальше (десятки и сотни тысяч км) и имеет вытянутую форму.

 

    Магнитосфера  защищает живые организмы от ионов солнечного ветра (поток заряженных частиц, испускаемых Солнцем), и только в полярных областях заряженные частицы проникают вглубь атмосферы, вызывая полярные сияния.

Эволюция  Земли

    Вопрос  занимает центральное место в  геологии. Для его решения очень важно определение времени событий.

    Методы  измерения геологического времени:

    I. Литологическое измерение времени (Стенон, 1669) – относительный метод («старше-моложе»):

В серии  нормально залегающих пластов  вышележащий пласт моложе нижележащих, а секущие их трещины еще моложе → слоистая структура пород поверхности Земли представляет собой пространственное отображение геологического времени.

    II. Биостратиграфическое определение времени (Смит, 1813) – относительный метод; в основе - изучение остатков древних организмов:

В связи  с тем, что жизнь эволюционирует, организмы с течением времени  изменяются. По видовому составу организмов в слое можно определить его относительный  возраст.

    III. Радиологическое определение времени – изотопная хронология (П. Кюри, Резерфорд, начало 20 в.) – абсолютный метод.

Возраст геологических объектов определяется по соотношению в них материнского и дочернего изотопов радиоактивного элемента (U → Pb).

Скорость  распада радиоактивных элементов  оценивается по периоду полураспада – промежутку времени, в течение которого число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое.

 

    Основные  методы изотопной  хронологии:

• Ураново-свинцовый: ²³⁸U → Pb (T ½ = 4,5 млрд. лет)
• Рубидий-стронциевый: ⁸⁷Rb → Sr  (T ½ = 47 млрд. лет)

Оба метода используются для определения возраста древних пород.

• Калий-аргоновый: ⁴⁰К → Ar (T ½ = 1,3 млрд. лет)

Метод используется для датировки молодых геологических эпох (< 1 млн. лет); разработаны точные способы определения количества К и Ar.

• Радиоуглеродный: ¹⁴С → ¹²С (T ½ = 5750 лет)

Метод удобен для определения возраста органических остатков.

    Благодаря изотопной хронологии определен возраст Земли ~ 4,6 млрд. лет.

    Такой временной промежуток можно представить  себе только по аналогии: если историю  Земли представить в виде 3-часового фильма, то человечество как вид появилось бы в кадре в последнюю секунду.

 

    За  долгую историю своего существования  Земля претерпела много изменений (изменялись очертания океанов и континентов, появлялись и исчезали горы, виды животных и растений). Геологи составили шкалу геологического времени, отражающую историю Земли. Шкала разделена на отрезки (эоны, эры, периоды, эпохи), границы между которыми проведены там, где резко менялся характер ископаемых остатков.

 

    Шкала геологического времени

    (начала периодов и эпох, млн. л. н.)