Науки о Земле. Геосферные оболочки Земли

Итак, сейсмические данные позволяют судить о пространственных параметрах Земли и ее структурных компонентов, равно как о их агрегатном состоянии. Важные сведения о строении Земли получены также в результате сверхглубокого бурения (Кольская скважина имеет глубину более 12 км).

В глобальном масштабе форма Земли лучше всего аппроксимируется эллипсоидом вращения - равновесной фигурой вращающейся однородной жидкости. Форма Земли (геоид) незначительно отличается от сфероида вращения. Именно поэтому географические глобусы изготавливают в форме шаров. У современной Земли полярный радиус R_п = 6356, 78 км, а экваториальный Rэ = 6378, 16 км. Масса Земли Мз = 5,98  10²⁴ кг, а средняя плотность ρ_з = 5, 52 г/см ³.

Строение Земли очень сложное, оно постоянно детализируется. Поскольку Земля имеет форму шара, то ее структурные части обычно представляют в виде сферных оболочек, число которых растет вместе с развитием геологического знания. Для начала рассмотрим внутренние геосферные оболочки.

Первоначально Земля многими людьми воспринималась как твердый шар, более или менее однородный. Затем, в частности в связи с желанием осмыслить огненные выбросы вулканов, возникло представление о двухступенчатой структуре Земли: внутренняя оболочка, мантия, покрыта земной корой. Переход к трехступенчатой структуре Земли был связан с выделением ядра Земли. Дальнейшая дифференциация представлений о структуре Земли оказалась связанной с выделением ее своеобразных подоболочек.

Согласно современным воззрениям, ядро Земли состоит из внутреннего и внешнего ядра. Мантия Земли состоит из верхней, средней и нижней мантии, отделенных друг от друга разделами. Что касается земной коры, то она отделена от верхней части мантии, превратившейся в результате остывания в горную породу, разделом Мохоровичича. Земная кора, раздел Мохоровичича и упомянутая верхняя часть мантии образуют литосферу (от греч. litos - камень). К литосфере примыкает астеносфера (от греч. astenes - слабый), слой пониженной вязкости в верхней части мантии Земли. Над земной корой находится атмосфера, а области океанов, морей, озер и рек образуют гидросферу. Магнитное поле Земли образует ее магнитосферу.

Итак, восхождение от центра Земли к ее периферии связано с пересечением следующих геосферных оболочек:

1)  внутреннего ядра Земли;

2)  внешнего ядра Земли;

3)  нижней мантии Земли;

4)  средней мантии Земли;

5)  верхней мантии Земли;

6)  астеносферы;

7)  нижнего слоя литосферы;

8)  раздела Мохоровичича;

9)  земной коры (верхнего слоя литосферы);

10) гидросферы;

11) атмосферы;

12) магнитосферы.

 

 

 

 

 

 

 

Истории геосферных оболочек Земли

Истории эволюции геосферных оболочек Земли сопряжены друг с другом, но каждая из этих историй имеет свои весьма своеобразные этапы.

История ядра Земли

Формирование ядра Земли началось примерно 4,6  10 9 лет назад (отсчет времени ведется по направлению от прошлого к современности). Соответствующие расчеты показывают, что оно особенно интенсивным было в период 3 - 2,6  10 9 лет тому назад. После 2,6 млрд лет наращивание массы земного ядра начало резко, а потом плавно убывать. В наши дни масса ядра увеличивается, согласно расчетам, на 130 млрд т в год. «Металлическое железо» покинуло мантию Земли примерно 500 млн лет тому назад, оставшийся в ней магнетит (Fe 3O4) распадается: 2Fe3О4→ 3FeO + 5O, при этом FeO переходит во внешнее ядро Земли. Остывание Земли приведет к частичному или полному затвердеванию, как ее мантии, так и ядра. Дальнейшая судьба нашей планеты будет зависеть в первую очередь от Солнца - перехода его в состояние белого карлика, что будет сопровождаться гигантским выбросом излучения, которое «опалит» Землю.

Из всех геосферных оболочек наибольшие шансы уцелеть в «солнечной парилке» имеет как раз земное ядро. Оно, надо полагать, разогреется, затем вновь остынет и станет космическим путешественником, который либо под действием излучения будет медленно рассеиваться, либо, по случаю, угодит «в топку» неведомой нам звезды.

История мантии Земли

По своему вещественному составу мантия планеты наиболее близка к составу первичного вещества Земли. Тем не менее, именно в ней процессы химико-плотностной дифференциации идут наиболее энергично: на протяжении 4 млрд лет она проходит все новые стадии своего вещественного обеднения. Тяжелое вещество уходит к центру планеты - в ее ядро. Легкие элементы перемещаются в лито-, атмо-, и гидросферу. Из мантии Земли полностью исчезли FeS, Fe, Ni, по сравнению с составом первичной Земли она существенно обеднела легкими веществами (Ka2O, Na2O, N2 , H2 и др.). Вместе с тем происходящая в мантии химико-плотностная дифференциация приводит к росту в процентном содержании окислов кремния (SiO2) и магния (MgO). В сумме эти два окисла составляют около 83% состава современной мантии (против 57% в составе первичного вещества Земли).

Современная мантия вся охвачена мощными конвективными движениями, за счет которых тепловая энергия ядра и мантии передается другим геосферным оболочкам. Теплопотери Земли неизменно приведут к ее остыванию и переходу мантии в твердое, литосферное состояние. Переход Солнца в состояние белого карлика, видимо, будет связан с испарением значительной части литосферы,которая к тому времени будет составлять в фазовом отношении единое целое с затвердевшей мантией планеты.

История литосферы

Литосфера образуется в процессе остывания и кристаллизации частично расплавленного вещества мантии Земли. Ее часто называют «силикатным льдом». Имеется в виду, что литосфера, состоящая в основном из силикатов, т.е. солей кремниевых кислот, содержащих SiO4, формируется подобно образованию льда при замерзании воды. Ее формирование началось 4 - 3,5 млрд лет тому назад. Около 2 млрд лет ушло на формирование суперконтинента Пангеи. Последующая тектоническая деятельность Земли приводит к раскалыванию Пангеи и образованию новых суперконтинентов.

Современная история литосферы связана прежде всего с тектоникой океанических плит. При раздвижении литосферы вещество астеносферы внедряется в разломы рифтовых зон и, охлаждаясь, образует молодую океаническую литосферу. Океаническая кора способна надвигаться на концы континентальных плит, в результате чего образуются складчатые структуры. Обломки океанических литосферных плит, увлекаясь мантийными потоками, опускаются вплоть до ядра Земли, перемешиваются с другим мантийным веществом и вновь поднимаются на поверхность. Так осуществляются циклы тектонической деятельности Земли. В далеком будущем непременно произойдет их замедление вплоть до полной остановки.

История гидросферы

Молодая Земля была лишена гидросферы. Последняя появилась благодаря дегазации Земли, инициируемой изливавшимися на ее изначальную поверхность мантийными расплавами, которые, попав в условия с минимальным давлением, вскипали (как известно, температура кипения тем ниже, чем меньше давление) и выделяли летучие вещества, в том числе пары воды. Чем сильнее нарастали конвективные явления в мантии, тем чаще и в большей массе извергались на поверхность Земли потоки магмы, тем больше становился объем первоначально неглубокого океана. Из-за поглощения части воды океанической, а также континентальной корой глубина океана увеличивалась медленно. И лишь после полного насыщения водой серпантинового слоя океанической коры, а произошло это около 2,2 млрд лет назад, дно океана стало быстро опускаться (до средней глубины современного океана).

Наибольший приток воды происходил в период охвата конвективными движениями всей мантии Земли, т.е. около 2,6 млрд лет назад. Приток воды в Мировой океан имеет место и в наши дни, он будет продолжаться  в дальнейшем. Ослабление тектонической активности Земли, остывание ее мантии, образование в этой связи особо глубоких океанических впадин и поглощение части воды глубоко залегающими осадочными породами океанической литосферы приведет к тому, что будут вновь видны срединно-океанические хребты. Превращение Солнца в белый карлик приведет через 5 млрд лет к такому могучему потоку излучения, что он испарит весь Мировой океан. Возникшему однажды, ему не суждено существовать вечно.

История атмосферы

Согласно неклассической концепции глобальной эволюции Земли, история атмосферы связана с дегазацией планеты отнюдь не меньше, чем история гидросферы. Полагают, однако, что уже на ранних этапах своей эволюции (4,7 - 4 млрд. лет назад) Земля, еще не приобретя гидросферы, уже обладала атмосферой, но крайне разряженной. Она, видимо, состояла главным образом из летучих соединений, которые распространены в космосе, т.е. H2, He, N2, CH4, NH3, H2O, CO2, CO. Рождение плотной атмосферы оказалось связанным с выделением тех летучих соединений, которые попали на Землю в связанном состоянии: вода - с гидросиликатами, азот - с нитридами и нитратами, углекислый газ - с карбонатами и т. д. Подлинным динамическим источником атмосферы Земли оказалась ее начавшаяся активная дегазация (4 млрд лет назад). Около 3 млрд лет назад земля была окутана плотной, состоящей в основном из азота (N2) и углекислого газа (CO2) атмосферой с давлением до 4 атм. Последующая история Земли связана в основном со своеобразной «заменой» углекислого газа на кислород.

Насыщение серпентинового слоя океанической коры водой сопровождалось связыванием CO2 в карбонатах (доломитах). Можно показать, что при избытке углекислого газа в атмосфере реакции гидротации сопровождаются его связыванием в карбонатах. Типичная в этом смысле реакция выглядит следующим образом:

Mg2SiO4 + 4H2O + 2CO2 → Mg6[Si4O10](OH)8 + 2MgCO3.

Оливин  Серпентин  Магнезит  Серпентинит

Серпентинизация океанической коры привела к «извлечению» углекислого газа из атмосферы, его парциальное давление снизилось почти до современного. Обеднение атмосферы CO2 - газом, который задерживает инфракрасное (тепловое) излучение Земли, привело к резкому снижению приземной температуры (с 90 до 6 ˚С). Сопровождалось это (2,4 млн лет назад) грандиозным оледенением.

Активную роль в извлечении углекислого газа из атмосферы сыграли также зеленые растения и фотосинтезирующие микроорганизмы. Речь идет о процессе фотосинтеза, суммарное выражение которого, как известно, выглядит следующим образом:

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

Хлорофилл (фотосинтез проходит с участием хлорофилла, поглощающего кванты света).

Насыщение атмосферы кислородом происходило также благодаря фотодиссоциации паров воды коротковолновым излучением Солнца

H2O → HO + O

и галогенизации окислов щелочных и щелочноземельных металлов

Na2O + 2Cl → 2NaCl + O; CaO + 2F → CaF2 + O

(галогенами являются хлор и фтор).

В насыщении атмосферы кислородом доминирует биогенез, а аутсайдером является галогенез.

Далеко не весь кислород переходил непосредственно в атмосферу. Его мощным поглотителем являлось свободное железо:

2Fe + O2 → 2FeO.

Свободное железо исчезло из мантии Земли около 600 млн лет назад. Это способствовало росту выхода кислорода в атмосферу, что благоприятствовало быстрому развитию многоклеточных организмов.

В современных условиях выделяющийся в мантии кислород частично поглощается:

3FeO + O → Fe3O4.

Расчеты показывают, что через 600 млн лет содержащееся в мантии железо окажется в состоянии магнетита (Fe3O4). Магнетит устойчив в мантии, но при переходе в ядро Земли оно распадается:

2Fe3O4 → 3FeO +5O.

Свободный кислород, не встречая препятствий, через рифтовые зоны устремится в атмосферу. Это, согласно расчетам, приведет к быстрому росту давления атмосферы (10 атм), приземная температура достигнет 250 ˚С. После вскипания воды океанов давление возрастет до 350 атм, а приземная температура достигнет 450 ˚С. В новых обстоятельствах жизнь окажется невозможной. История жизни атмосферы прервется через 5 млрд лет, после взрыва Солнца. Атмосфера не сможет противостоять солнечному излучению и будет им испарена.

 

 

 

 

Геосферные оболочки их строение

Земных оболочек, или геосфер, выделяют очень много.

Внутреннее ядро Земли представляет собой шар диаметром 2500 км и имеет кристаллическую структуру. Сейсмологи заметили, что волны землетрясений, пробегающие планету от края до края, затрачивают на свой путь в зависимости от его направления различные промежутки времени. Это обстоятельство согласуется с расчетами, которые показывают, что внутреннее ядро Земли, являясь кристаллом, обладает анизотропными свойствами, оно пропускает сейсмические волны в одном направлении с большей скоростью, чем в другом. Разумеется, речь идет о весьма специфическом кристалле. Его температура превышает 4000 ˚С, но благодаря гигантскому давлению он сохраняет свою кристаллическую природу. Внутреннее ядро Земли более чем на 90% состоит из железа.

Американские геофизики Рональд Кохен и Ларс Штихруде опубликовали эту гипотезу в научном журнале «Science» (США). Они пишут, что гипотеза может объяснить многие свойства нашей планеты, кажущиеся пока загадочными. Например, некоторые особенности магнитного поля или поведение во время переполюсовки, т.е. когда Северный магнитный полюс становится Южным и наоборот, что бывало неоднократно.

Гипотезе о сверхкристалле внутри планеты (авторы сравнивают его с бриллиантом в центре Земли) привлекла внимание сейсмологов, которые заметили, что волны землетрясений затрачивают на свой путь на 4 секунды больше, нежели сейсмические волны, идущие от полюса до полюса.

Расчеты геофизиков показали, что кристалл, ионы которого расположены в гексагональной структуре и плотно прижаты друг к другу, пропускают через себя сейсмические колебания, идущие сверху или снизу, с большей скоростью, нежели волны, проходящие с боковых направлений. Всем кристаллам присуща анизотропия: их физические свойства различны по разным направлениям. Вдоль оси или поперек нее кристалл проводит тепловые и звуковые колебания по-разному. Если бы земное ядро состояло из множества кристаллов, анизотропия была бы погашена разноориентированными кристаллами. Но опыты Р. Кохена и Л. Штихруде отчетливо показали проявление анизотропии. Значит, можно говорить о том, что внутренне ядро Земли - единый, целый кристалл.

Внешнее ядро Земли находится в жидком состоянии (в нем затухают поперечные волны) и в основном содержит железо, его окислы, а также примеси более легких веществ - кремния, серы.

Железная составляющая ядра Земли ответственна за земной магнетизм. А энергичное конвективное движение внутри внешнего ядра объясняет неоднократные изменения магнитной полярности нашей планеты, о чем свидетельствуют палеомагнитные данные. Древние породы «запоминают», фиксируют направленность магнитного поля Земли. Исследования этих пород показывают, что северный и южный магнитный полюса неоднократно менялись местами.