Земля
Земля и ее оболочки
Разнообразные горные породы, выходы которых мы часто видим на поверхности, слагают твердую оболочку земного шара, или земную кору. В толще коры залегают уголь, нефть, руды железа и других металлов, драгоценные и поделочные камни. В поисках полезных ископаемых люди уже тысячи лет назад научились проникать глубоко в земную кору. При этом рудокопы заметили, что чем глубже горные выработки, тем выше в них температура. Наблюдения за действующими вулканами привели человека к мысли, что на значительной глубине горные породы находятся в расплавленном состоянии. Греческий философ Эмпеддкл (V в. до н. э.), ссылаясь на действующие вулканы и горячие источники, высказал мысль о расплавленном состоянии внутренних частей Земли. Эмпедокл изучал вулкан Этна, по склонам которого временами текли мощные потоки лавы, заливавшие окрестности на десятки километров. Он предпринял отчаянно смелое путешествие в глубь кратера и погиб в жерле вулкана.
С той далекой поры человечество прошло большой путь развития и накопило много фактов, которые ученые начали обобщать в гипотезы. В науке XVIII в. господствовало представление, что внутри земного шара находится огненно-жидкое ядро, с которым связаны повышение температуры в недрах Земли и вулканические явления. Однако стройное учение о происхождении и строении Земли было создано только в конце XVIII в.
Немецкий философ Иммануил Кант, а несколько позднее французский астроном и математик Пьер Симон Лаплас выдвинули гипотезу возникновения планет Солнечной системы. Они полагали, что до образования Солнечной системы существовала туманность, состоящая из отдельных движущихся частиц или газа. В результате сжатия туманности она постепенно раскалялась. Вращающаяся раскаленная туманность приобрела сплюснутую форму. Затем при увеличении скорости вращения от нее постепенно отделились слои вещества и образовали ряд колец. Каждое из них под действием сил взаимного притяжения слагавших его частиц постепенно превратилось в шаровидное тело — планету. Сначала планеты были раскаленными, но потом, по мере излучения тепла в мировое пространство, стали остывать. Центральная часть туманности после сжатия и отделения от нее ряда колец стала Солнцем.
По гипотезе Канта и Лапласа, земное ядро должно быть огненно-жидким, а земная кора — продукт остывания некогда огненно-жидкого шара.
Несколько позднее стали раздаваться, правда вначале очень робко, возражения ученых против этой гипотезы. В частности, у нас в России выдающийся ученый академик В. И. Вернадский считал, что Земля никогда не была огненно-жидкой. В настоящее время эта точка зрения принята наукой. Большинство современных геофизиков и геологов отрицают стадию огненно-жидкого состояния Земли при ее образовании и объясняют разогрев земных оболочек процессами радиоактивного распада.
Интересная космогоническая гипотеза (космогония — наука о происхождении и развитии небесных тел и их систем) образования планет разработана коллективом советских ученых под руководством академика О. Ю. Шмидта. По этой гипотезе планеты возникли из облаков космической пыли, которая обращалась некогда вокруг Солнца. По определению О. Ю. Шмидта, Земля возникла как холодное тело, поэтому земная кора вовсе не «шлак», который появился на поверхности раскаленной жидкой массы земного шара, а выплавлена из нее. Со временем она стала нагреваться в результате различных, прежде всего радиоактивных, процессов.
Но не одни гипотезы помогают теперь ученым познавать внутреннее строение земного шара. Разработаны очень точные геофизические методы исследования (см. ст. «Внутреннее строение Земли»). Они основаны на изучении колебаний земной коры, возникающих при землетрясениях или искусственных взрывах. При этом в Земле возникают сейсмические волны, или колебания. Линии, вдоль которых они распространяются, называются сейсмическими лучами. Существует два вида колебаний: продольные и поперечные. Продольные волны распространяются в твердом теле от места взрыва или центра землетрясения, вызывая последовательные сжатия и разрежения частиц вещества Земли, при этом частицы колеблются в направлении распространения волны. Поперечные волны — это колебания частиц в теле Земли перпендикулярно направлению сейсмического луча.
Если бы Земля была однородным телом, то сейсмические волны распространялись бы прямолинейно и с одинаковой скоростью. Изучение скоростей распространения различных волн в Земле показало, что земной шар состоит из ряда концентрических зон с различной плотностью и различным составом.
Самые верхние слои земной коры состоят преимущественно из пластов осадочных горных пород, образовавшихся путем осаждения различных мелких частиц, главным образом в морях и океанах. В этих пластах захоронены остатки животных и растений, населявших в прошлом земной шар. Они с течением времени превратились в окаменелости, которые позволяют от пласта к пласту восстанавливать историю развития жизни на Земле. Общая мощность (толщина) осадочных пород в редких случаях достигает 15—20 км. Средняя скорость распространения в них продольных колебаний от 2 до 5 км/с.
А что же находится под осадочными горными породами? На этот вопрос дают ответ обнажения горных пород, буровые скважины, а также сейсмические волны. Оказалось, что сейсмические волны •распространяются в глубине Земли с различными скоростями на континентах и на дне океана. Отсюда ученые сделали вывод, что на Земле существует два главных типа твердой земной коры: континентальный и океанический.
Мощность коры континентального типа в среднем 30—40 км, а под горами достигает местами 70 км. Континентальная часть земной коры распадается на ряд слоев, число и мощность которых изменяются от района к району. Обычно ниже осадочных пород выделяют два главных слоя: верхний — гранитный, близкий по физическим свойствам и составу к граниту, и нижний — базальтовый (предполагается, что он состоит из более тяжелых пород, главным образом из базальта). Толщина каждого из этих слоев в среднем 15—20 км.
Геологические оболочки и геосферы Земли (по В. И. Вернадскому). Схеме упрощена.
Океаническая кора гораздо тоньше — 3—7 км. По составу и свойствам она ближе к веществу базальтового слоя континентальной коры, т. е., видимо, состоит главным образом из базальта или других пород, богатых магнием и железом. Но этот тип коры свойствен только глубоким участкам дна океанов — не менее 4 тыс. м. На дне океанов есть области, где земная кора имеет строение континентального или промежуточного типа. Базальтовый слой отделяется от нижезалегающих пород поверхностью, получившей название поверхности Мохоровичича (по имени открывшего ее югославского ученого). Скорость сейсмических волн глубже этой поверхности сразу резко увеличивается до 8,2 км/с, что обусловлено, вероятно, изменением упругих свойств и плотности вещества Земли.
Поверхность Мохоровичича, наблюдаемая во всех областях земного шара, условно считается нижней границей земной коры. Под ней до глубины 2900 км расположена внутренняя оболочка Земли, или мантия. Она разделяется на два слоя: верхнюю мантию и нижнюю мантию. Ученые считают, что верхняя мантия по химическому и минералогическому составам близка к горным породам, богатым магнием и железом, имеющим значительную плотность. Такие породы, очевидно, напоминают перидотиты — глубинные породы, которые кое-где встречаются и вблизи земной поверхности. Для промежуточного слоя характерно сильное возрастание скоростей сейсмических волн и увеличение электропроводности вещества Земли. Нижний слой оболочки отличается однородностью по сравнению с верхним.
Небольшое понижение скорости сейсмических волн наблюдается на глубине 100—150 км. Предполагают, что в этом слое температура близка к температуре плавления. Это подтверждается очень малым числом очагов землетрясений.
На большинство геологических процессов, происходящих в верхних частях земной коры, активно влияют процессы глубинных недр. Ученые все более и более убеждаются, что движения земной коры, которые вызывают образование гор, трещины, разрывы, землетрясения и вулканизм, обусловлены источниками энергии и выделениями вещества в верхних слоях мантии. Поэтому изучение верхней мантии имеет огромное научное и практическое значение.
Под мантией находится земное ядро. Внешняя часть земного ядра обладает свойствами жидкости: через него не проходят поперечные волны. Радиус земного ядра около 3470 км. При переходе от оболочки (мантии) к ядру резко изменяются физические свойства вещества. Температура внутри Земли наиболее быстро возрастает в пределах земной коры, далее растет медленнее и на больших глубинах остается, вероятно, почти постоянной. Точно температура земных недр неизвестна, но, по-видимому, в ядре не меньше 2000° и не больше 5000°.
В ядре заключено еще внутреннее ядро Земли; его радиус около 1250 км. Оно, вероятно, находится в твердом состоянии. Надо иметь в виду, что условия существования материи в больших глубинах земного шара резко отличны от условий на земной поверхности. Такие условия мы пока не смогли создать и в лабораториях.
Геофизики предполагают, что материки возникли в результате процесса разделения, или дифференциации, вещества Земли. Этот процесс приводит к обеднению отдельных участков оболочки Земли кремнекислотой, окисью алюминия, щелочными металлами и выносу их наверх — в земную кору, где они образуют континенты. Таким образом, в земном шаре, на основе сейсмических данных, различают следующие зоны, обладающие специфическими физическими свойствами: земная кора, верхняя мантия, промежуточный слой, нижняя мантия, внешнее ядро и внутреннее ядро.
Изучая нашу планету в целом, ученые уже давно выделили ряд присущих ей оболочек (или сфер): воздушную оболочку, или атмосферу; жидкую оболочку, или гидросферу («гидро» — вода), и литосферу («литое» — камень) — твердую оболочку, или, как ее теперь называют, земную кору. В начале XX в. учение о внешних оболочках Земли развил В. И. Вернадский. Он выделил еще прерывистую ледяную оболочку, а также биосферу — область Земли, в которой развивается жизнь.
Мнения ученых о происхождении жидкой и газообразной оболочек Земли расходятся. Наиболее распространенное из них сводится к тому, что вещество, слагающее недра нашей планеты, в процессе разделения (дифференциации) прежде всего теряет воду и газы. Выделившиеся при этом воды скапливались в океанах, положив начало образованию гидросферы. Первоначальные же газы утеряны Землей — они улетучились в мировое пространство. Основные газы современной атмосферы, в частности кислород, азот, углекислый газ, вторичные: они образовались в результате распада воды, окисления соединений азота и жизнедеятельности растений.
Наконец, академик А. А. Григорьев предложил выделить особую — географическую оболочку Земли, располагающуюся на границе литосферы и атмосферы и охватывающую всю гидросферу. Эта оболочка, в которой вещества могут быть во всех трех агрегатных состояниях — в твердом, жидком и газообразном, служит географической средой обитания человеческого общества. Представления о географической оболочке (иногда ее называют ландшафтной оболочкой Земли) во многом соответствуют представлениям о биосфере, и некоторые ученые считают их синонимами.
Так в самых общих чертах можно представить себе строение нашей планеты. Но при этом надо помнить, что все оболочки Земли построены весьма сложно. Об их строении и происходящих в них процессах, о приуроченных к ним интересных явлениях природы подробнее рассказывается в других статьях нашего тома.
Таинственный мир под ногами
Ученые давно стремятся раскрыть тайны глубин нашей планеты. Сейчас разрабатываются проекты сверхглубокого бурения земной коры. Исследования глубин Земли помогут выяснить закономерность в распространении полезных ископаемых в земной коре и создать более точные карты прогнозов, обосновывающие правильное направление поисков минерального сырья. Развитие глубинного бурения подводит нас также вплотную к широкому использованию тепловой энергии Земли. Температура глубинных подземных источников достигает 200°. Их можно использовать для выработки электроэнергии, для отопления городов, для выращивания овощей в теплицах. Глубинное бурение позволит ответить на многие загадки в истории Земли. По содержащимся в слоях окаменелостям животных и растений можно будет с большой полнотой восстановить недостающие страницы в истории развития жизни на Земле, особенно в отдаленные эпохи. Вероятно, ученые смогут ответить на такие важные вопросы: почему одни участки суши поднимаются, а другие опускаются; почему происходят землетрясения; из каких слоев изливается на поверхность лава; движутся ли материки или устойчиво стоят на месте и т. д.
2i.SU ©® 2015