Внутреннее строение и история геологического развития Земли

Внутреннее  строение и история геологического развития земли

Земля – третья от Солнца планета  Солнечной системы – совершает  в пространстве сложное движение. Она обращается вокруг Солнца по эллиптической  орбите с орбитальной скоростью  около 30 км/с. Особенности вращения Земли определяют длительность звездных суток и года, периодичность времен года и изменения видимого звездного  неба. Земля оказывает влияние  и на окружающее пространство. Радиус гравитационной сферы влияния Земли  можно представить либо как расстояние, на котором могут двигаться объекты, оставаясь спутниками Земли (около 1,5 млн. км), либо как радиус сферы, в  которой земное притяжение больше притяжения Солнца (около 2,6 млн. км).

Форма и размеры Земли

Наша планета имеет форму, близкую  к шарообразной. Под действием центробежной силы, возникающей вследствие вращения Земли вокруг ее оси, она сплюснута у полюсов. Земля – не совсем шар, а эллипсоид вращения, называемый геоидом. Это фигура, которую образовала бы поверхность Мирового океана, будь она свободна от всяческих возмущений (приливов, неоднородностей атмосферного давления и т.п.). Сила тяжести в любой точке перпендикулярна гипотетической поверхности геоида. Рассчитано, что ускорение силы тяжести изменяется от 9,82 м/с2 у поверхности планеты до максимального значения 10,37 м/с2 в основании нижней мантии (2900 км). В ядре ускорение силы тяжести быстро падает, доходя на глубине около 5000 км до 4,52 м/с2, на глубине 6000 км – до 1,26 м/с2, а в центре планеты – до нуля. Из приблизительно 510 млн. км2 поверхности Земли на долю суши приходится 149 млн. км2, или около 29%, так что правильнее было бы назвать нашу планету не Землей, а Океаном.

Происхождение и эволюция Земли

Наиболее развиты небулярные модели формирования Солнца и планет путем  сжатия газовой или пылевой туманности (небулы). Первые варианты таких моделей  были предложены в XVIII веке математиком и механиком П. Лапласом и философом И. Кантом. История Земли состоит из двух этапов: ранняя история и геологическая история.

Ранняя история (протоархейская эра, 4,7-4,0 млрд. лет назад) включает три  фазы – фазу аккреции, фазу расплавления и расслоения внешней сферы Земли, лунную фазу – и характеризуется  медленным темпом эволюции:

а). При аккреции происходило непрерывное  выпадение на растущую Протоземлю тел разных размеров. Земля приобрела около 95% своей массы, оставаясь холодной. В конце фазы интенсивная метеоритная бомбардировка привела к разогреванию и расплавлению внешней зоны планеты.

б). В фазу расплавления и расслоения внешней сферы Земли образуются ядро, мантия и земная кора. Тяжелые  железосодержащие породы сотни миллионов  лет опускались глубже, формируя ядро, а легкие каменистые породы образовывали кору. В процессе гравитационного  сжатия, распада радиоактивных элементов  Земля разогревается еще больше. С образованием ядра начались внутренние процессы тектонического и вулканического характера. Дегазация Земли приводит к началу образования атмосферы, состоящей в основном из метана, аммиака и углекислоты. В конце  фазы за счет конденсации водяного пара начинается образование гидросферы, т.е. атмосфера и гидросфера выделяются из недр планеты, поскольку вода и  газы входят в состав земных пород. Поверхность Земли представляет собой океан раскаленного расплава с прорывающимися из него газами.

в). В лунную фазу происходит остывание  вещества вследствие излучения тепла  в космос. Образуется тонкий слой первичной  коры из базальтов и гранитов. Земная поверхность охлаждается до 100°С. Возникают первые острова и протоконтиненты, сложенные из горных пород, содержащих преимущественно кремний и алюминий Они незначительно возвышаются над еще очень мелководным океанами.

Геологическая история (от архея до современности) характеризуется быстрым  темпом эволюции. После охлаждения земной поверхности до 100°С парообразная вода превращается в жидкость, образуются водоемы, возникает круговорот воды в природе. Водная атмосфера превратилась в углекислую. В атмосфере преобладают газы-восстановители: водород, аммиак, сероводород, метан, углекислый и угарный газы. Появление растений привело к формированию атмосферы современного типа. Земля – это объект, который продолжает находиться в процессе становления.

С учетом перспективы история планеты  Земля в окончательном виде может  выглядеть следующим образом:

1) образование планеты (4,7-4,0 млрд. лет назад);

2) нарастание тектонической деятельности  Земли и достижение ею своего  пика (4,0-2,2 млрд. лет назад);

3) период приблизительного постоянства  в тектонической деятельности  планеты (2,2 млрд. лет назад –  0,6 млрд. лет вперед);

4) угасание тектонической деятельности  Земли (0,6 млрд. лет вперед –  1,6 млрд. лет вперед);

5) остывание планеты под лучами  Солнца (1,6-5 млрд. лет вперед);

6) опаление Земли в результате  взрыва Солнца (около 5 млрд. лет  вперед);

7) космическое странствие планеты  (через 5 млрд. лет) до ее поглощения  системой какой-либо звезды.

Возраст Земли

На основании данных о возрасте древнейших минералов и горных пород  можно сделать вывод, что возраст  Земли превышает 4 млрд. лет, и до этой даты наша планета прошла определенный путь развития. На возраст Земли  также указывают данные исследования метеоритов – твердых тел Солнечной  системы. Они относятся к наиболее изученным космическим объектам и несут ценную информацию. Исследования показывают, что возраст как железных, так и каменных метеоритов совпадает  и составляет примерно 4,5–4,7 млрд. лет. Схожие данные получены и при исследовании лунных пород. Образцы этих пород  были доставлены на Землю как с помощью космических станций "Луна", так и экипажами американских космических кораблей "Аполлон". Оказалось, что возраст самых древних лунных образцов совпадает с возрастом самой Луны и составляет 4-4,5 млрд. лет. Значит, первичная лунная кора возникла вскоре после образования Луны, и отдельные участки этой коры сохранились до сегодняшнего дня.

Такое совпадение данных для разных тел Солнечной системы не может  считаться случайным, поэтому делается вывод о возрасте нашей планеты, равном примерно 4,7 млрд. лет. К этому  времени в основном завершилось  формирование нашей планеты. Сегодня  считается, что геологическая история  нашей планеты составляет около 4 млрд. лет, а 0,7 млрд. лет – это  ранняя история Земли. Исходя из истории  изучения Земли, все гипотезы ее развития на сегодняшний день можно объединить в две группы:

• гипотезы катастроф, согласно которым  развитие Земли происходило скачкообразно  вследствие ряда геологических катастроф. После каждой катастрофы создавался новый мир;

• гипотезы эволюции, согласно которым  на Земле происходят постоянные непрерывные  изменения в одном направлении  на протяжении миллионов лет, которые, суммируясь, приводят к определенным результатам.

Проблема происхождения Земли  привела к разработке новых научных  методов, нашедшие широкую применимость во многих других областях деятельности человека: биостратиграфического (палеонтологического), изотопного (аргонного) анализа, магнитной восприимчивости горных пород, соотношения радиоактивных веществ и продуктов их распада в горных породах, интерферометрии со сверхдлинной базой (ИСДБ), акустического.

Общее строение Земли

Земля делится на внутренние и внешние  геосферные оболочки. Основой их образования  является формирования ядра Земли. Ядро занимает центральную область нашей  планеты. Это самая глубокая геосфера. Средний радиус ядра составляет около 3500 км, располагается оно глубже 2900 км и состоит из двух частей –  большого внешнего (жидкое состояние) и малого внутреннего (кристаллическое  состояние) ядер.

Окружает ядро мантия, содержащая не менее 6 отдельных геосфер: нижняя, I зона раздела, средняя, II зона раздела, верхняя, состоящая из астеносферы и зоны Мохоровича. Агрегатное состояние мантии неоднородно – внизу твердое, к верху все более разжиженное, но с высокой степенью вязкости. Для всей мантии характерны интенсивные конвективные движения (это результат сложного взаимодействия механического движения Земли и гигантской конвекции тепла в ее внутренних слоях). Верхняя мантия в целом обладает интересной особенностью – по отношению к кратковременным нагрузкам она ведет себя как жесткий материал, а по отношению к длительным нагрузкам – как пластичный материал.

На не слишком вязкую и пластичную астеносферу опирается более подвижная и легкая литосфера – земная кора с частью подстилающей ее верхней мантии. Земная кора – внешняя оболочка Земли, имеет толщину менее 10 км под океанами, более 35 км под материками. Образуется за счет движения литосферных плит, магматических процессов, разрушения и выветривания горных пород и осадконакоплений. Подобное строение внутренних оболочек Земли базируется на сейсмологических исследованиях, определивших их границы.

Имеются также такие общепланетные  оболочки, как магнитосфера, электрополе, озоносфера, гидросфера, атмосфера  и энергосфера. Выделяют также специфические, присущие только для Земли (пока не открыты других планетах) оболочки: географическая, социальная, и множество  других, а как их высшая форма  – ноосфера.

Современные концепции развития геосферных оболочек

Существует выражение – земная твердь. Оно выражает мнение большинства  людей о том, что Земля нечто  основательное, статичное. На самом  деле Землю можно приравнять к  живому организму, так как она  находится в постоянном внешнем  и внутреннем движении, перемещении  и количественном и качественном изменении отдельных частей.

Частично эти процессы определяются энергетикой поверхности Земли, которая представляет собой тепловую машину: ее "нагреватель" – Солнце, "холодильник" – безвоздушное пространство, "рабочая жидкость" состоит из атмосферы и гидросферы. Изменения в поступающей солнечной  радиации определяют сезоны года и  температурные различия между экватором  и полюсами. Для сохранения энергетического  баланса Земли происходит перенос  тепла в направлении полюсов. Различия в нагревании Земли обусловливают  ее действие как тепловой машины. Результатом  переноса тепла являются течения  в атмосфере и океанах, возникающие  вследствие различного нагревания земной поверхности. Солнечная энергия, частично поглощаясь внешними геосферными оболочками, в основном отражается ими же в  космос. Прогревание Солнцем распространяется на глубину, не превышающую 28-30 м. Значит, основу энергетики Земли составляют ее собственные процессы.

Также происходит перемещение и  химическое изменение вещества в  глубинах Земли. С некоторым приближением Землю можно представить в  виде закипающего супа, где в кастрюле есть твердые части (мясо – ядро), восходящие и нисходящие потоки жидкости (обмен между внутренними геосферными  оболочками), плавающие на поверхности  масляные пятна (литосферные плиты), пар (атмосфера), внешняя среда (космос). При этом в кастрюле происходят и химические процессы.

Энергетическая эволюционная динамика Земли определяется в основном тремя  составляющими: энергией гравитации (около 82%), энергией радиоактивного распада (около 12%), приливной энергией (около 4%). В  масштабах Земли подобные процессы обозначаются как геотектонический механизм эволюции планеты. За счет работы этого механизма Земля представляет собой сложную динамическую (то есть существующую в движении) структуру, возникшую и развивавшуюся естественным путем – еще один пример широкомасштабного  эволюционного процесса.

В основе работы геотектонического  механизма лежит продолжающийся процесс дифференциации вещества Земли. На границе между мантией и  ядром за счет высокой температуры  происходят химические процессы, похожие  на те, что человек использует в  металлургических печах: из соединений железа восстанавливается чистое железо. Тяжелое железо тонет, а более  легкий "шлак", образующийся в  тех же реакциях, всплывает вверх, к земной коре. Возникает конвекция. При этом восходящие потоки более  легкого и нагретого вещества должны компенсироваться нисходящими  потоками более тяжелого и холодного, которое заполняет освобождающееся  внизу место. Восходящие и нисходящие потоки в мантии пространственно  разделены. Поэтому у верхней  ее границы, под земной корой, возникают  горизонтальные потоки, направленные от точек выхода восходящих движений к зонам опускания вещества. Вот  на этих-то горизонтальных потоках  скользят плиты, на которых расположены  материки Земли.

Всю мантию можно представлять себе как систему конвективных ячеек, в каждой из которых вдоль одной  стенки вещество поднимается из недр и течет вдоль поверхности  к другой стенке. Там оно опускается вниз и вновь возвращается к первой стенке. Таким образом, движение вещества в земных недрах упорядочено в  пространстве, и упорядоченность  эта возникла естественным путем. Размеры  конвективных ячеек должны быть сравнимы с толщиной мантии. Но отсюда вытекает, что существовали они не всегда, ибо расслоение Земли на ядро, мантию и т.д. заняло какое-то время после  формирования нашей планеты. По расчетам геофизиков, интенсивность конвективных потоков в мантии стала достаточно интенсивной, чтобы разломать первичную  земную кору на отдельные плиты, когда  Земле исполнился почти миллиард лет. И последующая геологическая  история Земли отражает конвективные движения в мантии, которые, как выясняется, обладают достаточно строгой периодичностью. Вновь мы сталкиваемся с самопроизвольным, естественным возникновением упорядоченности  из первоначально однородного неупорядоченного состояния.

Тепловая энергия из поверхности  планеты постепенно разогревала  все ее вещество, переводя его в  расплавленное состояние. Вещества, обладавшие наибольшей плотностью (в  основном железо и никель), стали  диффундировать в центр планеты. Этот процесс обуславливал химическую эволюцию земной материи, которая привела  к распределению элементов по геосферным оболочкам на основании  теории гетерогенной аккумуляции.

В геодинамической теории выделяют эндогенные процессы, связанные с  внутренней динамикой Земли. Это  горообразование, тектоника горных пород, вулканизм, метаморфизм, землетрясения, образование ловушек для нефти  и газа и т.д. Процессы, связанные  с внешней динамикой, порождаемые  поступающей на Землю солнечной  энергией, называются экзогенными. К ним относятся: выветривание, заболачивание, работа ветра, деятельность атмосферных вод, водных потоков, морей, озер, ледников, а также оползни, лавины, обвалы, криогенные процессы и др.