Температура внутри Земли. Определение температуры в оболочках Земли основывается на различных, часто косвенных данных. Наиболее достоверные температурные данные относятся к самой верхней части земной коры, вскрываемой шахтами и буровыми скважинами до максимальных глубин- 12 км (Кольская скважина).

Нарастание температуры в градусах Цельсия на единицу глубины называют геотермическим градиентом, а глубину в метрах, на протяжении которой температура увеличивается на 1 0 С - геотермической ступенью. Геотермический градиент и соответственно геотермическая ступень изменяются от места к месту в зависимости от геологических условий, эндогенной активности в различных районах, а также неоднородной теплопроводности горных пород. При этом, по данным Б. Гутенберга, пределы колебаний отличаются более чем в 25 раз. Примером тому являются два резко различных градиента: 1) 150 o на 1 км в штате Орегон (США), 2) 6 o на 1 км зарегистрирован в Южной Африке. Соответственно этим геотермическим градиентам изменяется и геотермическая ступень от 6,67 м в первом случае до 167 м - во втором. Наиболее часто встречаемые колебания градиента в пределах 20-50 o , а геотермической ступени -15-45 м. Средний геотермический градиент издавна принимался в 30 o С на 1 км.

По данным В. Н. Жаркова, геотермический градиент близ поверхности Земли оценивается в 20 o С на 1 км. Если исходить из этих двух значений геотермического градиента и его неизменности в глубь Земли, то на глубине 100 км должна была бы быть температура 3000 или 2000 o С. Однако это расходится с фактическими данными. Именно на этих глубинах периодически зарождаются магматические очаги, из которых изливается на поверхность лава, имеющая максимальную температуру 1200-1250 o . Учитывая этот своеобразный "термометр", ряд авторов (В. А. Любимов, В. А. Магницкий) считают, что на глубине 100 км температура не может превышать 1300-1500 o С.

При более высоких температурах породы мантии были бы полностью расплавлены, что противоречит свободному прохождению поперечных сейсмических волн. Таким образом, средний геотермический градиент прослеживается лишь до некоторой относительно небольшой глубины от поверхности (20-30 км), а дальше он должен уменьшаться. Но даже и в этом случае в одном и том же месте изменение температуры с глубиной неравномерно. Это можно видеть на примере изменения температуры с глубиной по Кольской скважине, расположенной в пределах устойчивого кристаллического щита платформы. При заложении этой скважины рассчитывали на геотермический градиент 10 o на 1 км и, следовательно, на проектной глубине (15 км) ожидали температуру порядка 150 o С. Однако такой градиент был только до глубины 3 км, а далее он стал увеличиваться в 1,5-2,0 раза. На глубине 7 км температура была 120 o С, на 10 км -180 o С, на 12 км -220 o С. Предполагается, что на проектной глубине температура будет близка к 280 o С. Вторым примером являются данные по скважине, заложенной в Северном Прикаспии, в районе более активного эндогенного режима. В ней на глубине 500 м температура оказалась равной 42,2 o С, на 1500 м-69,9 o С, на 2000 м-80,4 o С, на 3000 м - 108,3 o С.

Какова же температура в более глубоких зонах мантии и ядра Земли? Более или менее достоверные данные получены о температуре основания слоя В верхней мантии (см. рис. 1.6). По данным В. Н. Жаркова, "детальные исследования фазовой диаграммы Mg 2 SiO 4 - Fe 2 Si0 4 позволили определить реперную температуру на глубине, соответствующей первой зоне фазовых переходов (400 км)" (т.е. перехода оливина в шпинель). Температура здесь в результате указанных исследований около 1600 50 o С.

Вопрос о распределении температур в мантии ниже слоя В и ядре Земли еще не решен, и поэтому высказываются различные представления. Можно только предположить, что температура с глубиной увеличивается при значительном уменьшении геотермического градиента и увеличении геотермической ступени. Предполагают, что температура в ядре Земли находится в пределах 4000-5000 o С.

Средний химический состав Земли. Для суждения о химическом составе Земли привлекаются данные о метеоритах, представляющих собой наиболее вероятные образцы протопланетного материала, из которого сформировались планеты земной группы и астероиды. К настоящему времени хорошо изучено много выпавших на Землю в разные времена и в разных местах метеоритов. По составу выделяют три типа метеоритов: 1)железные, состоящие главным образом из никелистого железа (90-91% Fe), с небольшой примесью фосфора и кобальта; 2) железокаменные (сидеролиты), состоящие из железа и силикатных минералов; 3) каменные, илиаэролиты, состоящие главным образом из железисто-магнезиальных силикатов и включений никелистого железа.

Наибольшее распространение имеют каменные метеориты- около 92,7% всех находок, железокаменные 1,3% и железные 5,6%. Каменные метеориты подразделяют на две группы: а) хондриты с мелкими округлыми зернами - хондрами (90%); б) ахондриты, не содержащие хондр. Состав каменных метеоритов близок к ультраосновным магматическим породам. По данным М. Ботта, в них около 12% железоникелевой фазы.

На основании анализа состава различных метеоритов, а также полученных экспериментальных геохимических и геофизических данных, рядом исследователей дается современная оценка валового элементарного состава Земли, представленная в табл. 1.3.

Как видно из данных таблицы, повышенное распространение относится к четырем важнейшим элементам - О, Fe, Si, Mg, составляющим свыше 91%. В группу менее распространенных элементов входят Ni, S, Ca, A1. Остальные элементы периодической системы Менделеева в глобальных масштабах по общему распространению имеют второстепенное значение. Если сравнить приведенные данные с составом земной коры, то отчетливо видно существенное различие, заключающееся в резком уменьшении О, A1, Si и значительном увеличении Fe, Mg и появлении в заметных количествах S и Ni.

Фигуру Земли называют геоидом. О глубинном строении Земли судят по продольным и поперечным сейсмическим волнам, которые, распространяясь внутри Земли, испытывают преломление, отражение и затухание, что свидетельствует о расслоенности Земли. Выделяют три главные области:

земная кора;

мантия: верхняя до глубины 900 км, нижняя до глубины 2900 км;

ядро Земли внешнее до глубины 5120 км, внутреннее до глубины 6371 км.

Внутреннее тепло Земли связано с распадом радиоактивных элементов - урана, тория, калия, рубидия и др. Средняя, величина теплового потока составляет 1,4-1,5 мккал/см 2. с.

1. Каковы форма и размеры Земли?

2. Какие существуют методы изучения внутреннего строения Земли?

3. Каково внутреннее строение Земли?

4. Какие сейсмические разделы первого порядка четко выделяются при анализе строения Земли?

5. Каким границам соответствуют разделы Мохоровичича и Гутенберга?

6. Какая средняя плотность Земли и как она изменяется на границе мантии и ядра?

7. Как изменяется тепловой поток в различных зонах? Как понимается изменение геотермического градиента и геотермической ступени?

8. По каким данным определяется средний химический состав Земли?

Литература

• Войткевич Г.В. Основы теории происхождения Земли. М., 1988.

• Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет. М., 1978.

• Магницкий В.А. Внутреннее строение и физика Земли. М., 1965.

• Очерки сравнительной планетологии. М., 1981.

• Рингвуд А.Е. Состав и происхождение Земли. М., 1981.

У земного шара есть несколько оболочек: — воздушная оболочка, — водная оболочка, — твердая оболочка.

Третья за отдаленностью от Солнца планета- Земля имеет радиус 6370 км, среднюю плотность- 5,5 г/см2. Во внутреннем строении Земли принято различать следующие слои:

земная кора — верхний слой Земли, в котором могут существовать живые организмы. Толщина земной коры может быть от 5 до 75 км.

мантия — твердый слой, который находится ниже земной коры. Его температура достаточно высока, однако вещество находится в твердом состоянии. Толщина мантии порядка 3 000 км.

ядро — центральная часть земного шара. Его радиус приблизительно 3 500 км. Температура внутри ядра очень высока. Считается, что ядро состоит в основном из расплавленного металла,
предположительно — железа.

Земная кора

Выделяют два основных типа земной коры — континентальный и океанический, плюс промежуточный, субконтинентальный.

Земная кора тоньше под океанами (около 5 км) и толще — под материками (до 75 км.). Она неоднородна, различают три слоя: базальтовый (залегает ниже всего), гранитный и осадочный (верхний). Континентальная кора состоит из трех слоев, тогда как в океанической гранитный слой отсутствует. Земная кора формировалась постепенно: сначала был сформирован базальтовый слой, затем — гранитный, осадочный слой продолжает формироваться и в настоящее время.

— вещество, из которого состоит земная кора. Горные породы подразделяются на следующие группы:

1. Магматические горные породы. Они образуются при затвердевании магмы в толще земной коры или на поверхности.

2. Осадочные горные породы. Они образуются на поверхности, формируются из продуктов разрушения или изменения других пород, биологических организмов.

3. Метаморфические горные породы. Они образуются в толще земной коры из других горных пород под действием определенных факторов: температуры, давления.

Верхняя твердая геосфера именуется земной корой . Это понятие связано с именем югославского геофизика А.Мохоровичича, который установил, что в верхней толще Земли сейсмические волны распространяются медленнее, нежели на больших глубинах. Впоследствии этот верхний низкоскоростной слой был назван земной корой, а граница, отделяющая земную кору от мантии Земли, - границей Мохоровичича, или, сокращенно, - Моха. Мощность земной коры изменчива. Под водами океанов она не превышает 10-12 км, а на континентах составляет 40-60 км, (что составляет не более 1% земного радиуса), редко увеличиваясь в горных районах до 75 км. Средняя мощность коры принимается равной 33 км, средняя масса - 3·10 25 г.

По геологическим и геохимическим данным до глубины 16 км подсчитан усредненный химический состав пород земной коры. Значения средних содержаний отдельных элементов названы кларками - по фамилии впервые рассчитавшего их в 1889 г. американского ученого Ф. Кларка. Эти данные постоянно уточняются и на сегодня выглядят следующим образом: кислород - 47%, кремний - 27,5, алюминий - 8,6, железо - 5, кальций, натрий, магний и калий - 10,5, на все остальные элементы приходится около 1,5%, в том числе на титан - 0,6%, углерод - 0,1, медь - 0,01, свинец - 0,0016, золото - 0,0000005%. Очевидно, что первые восемь элементов составляют почти 99% земной коры и только 1% падает на остальные (более сотни!) элементы таблицы Д.И. Менделеева.

Вопрос о составе более глубоких зон Земли остается спорным . Плотность пород, слагающих земную кору, с глубиной возрастает. Средняя плотность пород в верхних горизонтах коры 2,6-2,7 г/см 3 , ускорение силы тяжести на ее поверхности 982 см/с 2 . Зная распределение плотности и ускорения силы тяжести, можно рассчитать давление для любой точки радиуса Земли. На глубине 50 км, т.е. примерно у подошвы земной коры, давление составляет 13000 атм.

Температурный режим в пределах земной коры довольно своеобразен . На некоторую глубину в недра проникает тепловая энергия Солнца. Суточные колебания температуры наблюдаются на глубинах от нескольких сантиметров до 1-2 м. Годовые колебания в умеренных широтах достигают глубины 20-30 м. На этих глубинах залегает слой пород с постоянной температурой - изотермический горизонт.. В полярных и экваториальных широтах, где амплитуда колебания годовых температур мала, изотермический горизонт залегает близко к земной поверхности. Верхний слой земной коры, в котором температура меняется по сезонам года, называется активным. В Москве, например, активный слой достигает глубины 20 м.

Ниже изотермического горизонта температура повышается. Повышение температуры с глубиной ниже изотермического горизонта обусловлено внутренним теплом Земли. В среднем прибавка температуры на 1°С осуществляется при заглублении в земную кору на 33 м. Эта величина называется геотермической ступенью. Величина, обратная геотермической ступени, называется геотермическим градиентом, т.е. градиент - это число градусов, на которое увеличивается температура на каждые 100 м глубины. Геотермическая ступень в разных регионах Земли различна: полагают, что в зонах вулканизма она может быть около 5 м, а в спокойных платформенных областях - возрастать до 100 м.

Вместе с верхним твердым слоем мантии земная кора объединяется понятием литосфера, совокупность же коры и верхней мантии принято именовать тектоносферой.

По современным представлениям геологии наша планета состоит из нескольких слоев - геосфер. Они различаются по физическим свойствам, химическому составу и В центре Земли находится ядро, за ним идет мантия, потом - земная кора, гидросфера и атмосфера.

В данной статье мы рассмотрим строение земной коры, являющейся верхней частью литосферы. Она представляет собой внешнюю твердую оболочку мощность которой так мала (1,5 %), что ее можно сравнить с тонкой пленкой в масштабах всей планеты. Однако, несмотря на это, именно верхний слой земной коры имеет для человечества большой интерес, как источник полезных ископаемых.

Кора земли условно разделяется на три слоя, каждый из которых по-своему примечателен.

1. Верхний слой - осадочный. Он достигает толщины от 0 до 20 км. Осадочные породы образовываются вследствие отложения веществ на суше, либо их оседания на дне гидросферы. Они входят в состав земной коры, располагаясь в ней сменяющими друг друга пластами.
2. Средний слой - гранитный. Его толщина может колебаться от 10 до 40 км. Это магматическая порода, образовавшая твердый слой в результате извержений и последующих застываний магмы в земной толще при высоком давлении и температуре.
3. Нижний слой, входящий в строение земной коры - базальтовый, тоже имеет магматическое происхождение. В нем содержится большее количество кальция, железа и магния, и его масса больше, чем у гранитной породы.

Структура земной коры не везде одинакова. Особенно разительные отличия имеют океаническая кора и континентальная. Под океанами земная кора тоньше, а под материками толще. Наибольшую толщину она имеет в районах горных массивов.

В состав входят два слоя - осадочный и базальтовый. Под базальтовым слоем находится поверхность Мохо, а за ней верхняя мантия. Океаническое дно имеет сложнейшие рельефные формы. Среди всего их разнообразия особое место занимают огромных размеров срединно-океанические хребты, в которых из мантии зарождается молодая базальтовая океаническая кора. Магма имеет доступ на поверхность через глубинный разлом - рифт, который проходит по центру хребта вдоль вершин. Снаружи магма растекается, тем самым постоянно раздвигая стенки ущелья в стороны. Такой процесс получил название «спрединг».

Строение земной коры более сложное на континентах, нежели под океанами. Континентальная кора занимает гораздо меньшую площадь, чем океаническая - до 40% земной поверхности, но имеет намного большую мощность. Под она достигает толщины 60-70 км. Континентальная кора имеет трехслойное строение - осадочный слой, гранитный и базальтовый. На участках, которые называются щитами, гранитный слой находится на поверхности. Как пример - сложенный из гранитных пород.

Подводная крайняя часть материка - шельф, также имеет континентальное строение земной коры. К нему относятся и острова Калимантан, Новая Зеландия, Новая Гвинея, Сулавеси, Гренландия, Мадагаскар, Сахалин и др. А также внутренние и окраинные моря: Средиземное, Азовское, Черное.

Проводить границу между гранитным слоем и базальтовым можно лишь условно, так как они имеют сходную скорость прохождения сейсмических волн, по которой определяют плотность земных слоев и их состав. Базальтовый слой соприкасается с поверхностью Мохо. Осадочный слой может иметь разную толщину, что зависит от располагающейся на нем формы рельефа. В горах, например, он или вообще отсутствует или имеет очень малую толщину, ввиду того что рыхлые частицы перемещаются вниз по склонам под воздействием внешних сил. Но зато он очень мощен в предгорных районах, впадинах и котловинах. Так, в он достигает 22 км.

Типы земной коры и ее строение

Главнейшими элементами земного рельефа являются континенты (материки) и океаны. Соответственно выделяются континентальный, океанический и переходные (субконтинентальный и субокеанический) типы строения земной коры.

Изучение скоростей распространения сейсмических волн позволяет в разрезе земной коры выделить три слоя, которые условно называют осадочным, гранитно-метаморфическим и гранулито-базитовым (базальтовым). В пределах этих слоев скорости прохождения продольных волн соответствуют таковым в осадочных породах (1.8-5.0 км/с), гранитах (5.0-6.2 км/с) и базальтах (6.0-7.6 км/с).

Осадочный слой занимает верхнюю часть разреза земной коры. Он образован различными осадочными, в небольшом количестве вулкногенными породами с плотностью от 2.2 до 2.5 г/см 3 . Мощность этого слоя изменяется на континентах от 0 до 25 км, в океанах в среднем 300-400 м, достигая в отдельных местах 1 км.

Гранитно-метаморфический слой образован магматическими породами кислого состава, гнейсами, кристаллическими сланцами. Породы, образующие этот слой, могут быть первоначально осадочными, вулканогенными и интрузивными, впоследствии сильно дислоцированными и метаморфизованными. Плотность слоя 2.6-2.7 г/см 3 . На континентах он подстилает осадочный слой, а местами (на щитах и в горных складчатых областях) выходит на поверхность. Мощность гранитного слоя обычно не превышает 25 км. В пределах нижней части континентального склона гранитный слой выклинивается и отсутствует в океанических впадинах.

Гранулито-базитовый (базальтовый) слой залегает в нижней части разреза земной коры и отделяется от подстилающей его мантии поверхностью Мохо. Он образован магматическими и метаморфическими породами основного состава и гранулитами (гнейсами, содержащими гранат), с плотностью в пределах 2.2-2.9 г/см 3 .

Континентальная земная кора развита в пределах материковой суши и шельфа и включает все три названных слоя.

Океаническая кора характеризует впадины океанов. Здесь отсутствует гранитно-метаморфический слой и осадочный слой (мощностью до 1 км, редко более) залегает непосредственно на базальтовом.

Субконтинентальная кора развита в переходной зоне между континентами и океанами и занимает обычно область развития островных дуг океанов. Она отличается от континентальной коры общей меньшей мощностью, особенно утончается гранитно-метаморфический слой.

Субокеаническая кора развита под впадинами внутриконтинентальных морей (Черное море, Южно-Каспийская впадина, Средиземное море). Она характеризуется отсутствием гранитно-метаморфического слоя и большой мощностью осадочного слоя.