Химический состав земли – «Форма, физические свойства и химический состав Земли»

«Форма, физические свойства и химический состав Земли»

Еще в 50-ые годы до нашей эры Пифагор
пришел к выводу о шарообразности Земли.
В 17 веке Ньютон открыл «закон всемирного
тяготения».

Следовательно стало очевидным, что
планета, которая находится во вращении
должна получить сжатие у полюсов и
растяжение у экватора, то есть приобрести
форму близкая к эллипсоиду.

Эллипсоид = сфероид= эллипсоид вращения
= сфероид Красовского.

Геоид– тело ограниченное основной
уровневой поверхностью.

Сфероид, ориентированный в теле геоида
будет называться – референец эллипсоид
(используется в геодезии).

В 1924 году были приняты постоянные
величины Земли:

Радиус полярный – 6,356 км.

Радиус экваториальный – 3,378 км.

Радиус средний – 6,371 км.

Рельеф.

Под рельефом Земли понимают все неровности
каменной оболочки. На картах рельеф
изображается изогипсами. Отметки могут
быть относительными и абсолютными.
Абсолютная отметка отличается от
нулевого уровня океана. Относительные
отметки отсчитываются от любой другой
горизонтальной поверхности плоскости
по отношению к нулевой. Крупные выпуклости
обычно располагаются по краям континента,
а низкие расположены в центре.

Гравитационное поле Земли.

Сила тяжести, обусловливающая вес тел,
всегда направлена перпендикулярно к
поверхности геоида. Над океанами сила
тяжести всегда больше, чем над континентом.
Над континентом, на фоне пологого
убывания силы тяжести, присутствуют
участки оптимального возрастания и
убывания силы тяжести. Они называются
положительными и отрицательными
гравитационными аномалиями.

Положительная аномалия
свидетельствует о более плотных горных
пародах, связанных с рудообразованием.

Отрицательная аномалия
свидетельствует о более легких пародах
(часто указывает на нефть и газ).

Температура Земли.

У поверхности Земли температурный режим
определяется двумя факторами: солнечным
теплом и собственным теплом планеты.

Солнечные лучи проникают на глубину 8
– 30 метров. Ниже этой границы расположен
пояс постоянной температуры.

Геотермическая ступень —количество
метров, на которое нудно погрузится
ниже пояса постоянной температуры,
чтобы получить прирост в 1 градус. Среднее
ее значение – 33 метра.

Геотермический градиент– это
величина возрастания температуры при
погружении в Землю на каждые 100 метров
(измеряется в градусах).

Магнетическое поле Земли.

Земля представляет собой магнит, полюса
которого не совпадают с географическими
полюсами. Северный магнитный полюс
расположен на полуострове Беотия (Сев.
Канада). Южный на меридиане Новой Зеландии
у северо-восточной оконечности Земли
Виктории. Линия, вдоль которой становится
магнитная стрелка – магнитный меридиан.

Плотность Земли.

Очень просто определить плотность
горных парод, которые находятся на
поверхности Земли.

Нефть – 0,7 гр./см3

Торф – 1,5 гр./см3

Вода морская – 1,8 гр./см3

Антрацит – 1,4 гр./см3

Каменная соль – 2,3 гр./см3

Глина – 2,4 гр./см3

Пещаник – 2,6 гр./см3

Гранит – 2,6 гр./см3

Базальт – 2,9 гр./см3

Габбро — 3 гр./см3

Средняя плотность Земли 5,52 гр./см3.

Плотность ядра – 11 гр./см3.

Химический состав Земли.

Изучен до глубины 15 – 20 км. Впервые
изучением химического состава Земли
занялся Клерк Ферсман. Число Клерка
показывает процентное распространение
элементов в Земной коре.

Кислород – 50%

Кремний – 25%

Алюминий – 7%

Железо – 4%

Кальций – 2%

Натрий – 2%

Калий – 2%

Магний – 2,5%

Прочее – 2,76%

На первые восемь элементов приходится
97,24%.

С глубиной химический состав Земли
меняется и возрастает роль тяжелых
металлов (Fe,Mg,Ni,Hg).

Строение Земли.

Внутренние сферы Земли:

  1. Ядро

  1. Мантия

  1. Земная
    кора.

Внешние сферы Земли:

  1. гидросфера

  2. биосфера

  3. атмосфера

  • тропосфера

  • стратосфера

  • мезосфера

  • ионосфера

  • экзосфера

Внутренние сферы Земли

Земная кора.

Осадочный слойсложен из рыхлых
горных парод с небольшой плотностью,
мощность осадочного слоя – 10-15 километров.

Гранитный слойсложен магматическими
и метаморфическими горными пародами.
Богатые алюминием и кремнеземом, местами
гранитный слой может отсутствовать (на
дне Тихого океана его нет). Мощность –
40-60 км. Температура у нижней границы
слоя 1000 С. Давление 10000 атмосфер.
Сейсмические волны проходят через
данный слой со скоростью 6 км/с.

Базальтовый слойприсутствует везде
в основе Земной коры. Мощность 5-30 км.
Вещество, слагающее данный слой менее
богато кремнеземом, чем гранитный.
Плотность 3,3 гр./см3. Скорость
прохождения сейсмических волн 7 км/с.

Граница, отделяющая базальтовый слой
от гранитного называется границей
Мохоровича, граница Мохо, граница М.

Мантия.

Очень мощная геосфера, занимающая
пространство от 8-80 км до 2900 км. По своему
составу мантия неоднородна:

В(верхняя мантия) слагается в
основном из магнезиальных силикатов
(алев ин).

С(средняя мантия) в этом слое вещество
находится в твердом состоянии, плотность
4,6 гр./см3. Давление 246000 атмосфер.

D(нижняя мантия)
примерно однородна по составу (оксиды
железа, магния, в меньшей степени алюминия
и титана), граница между мантией и ядром
отбивается довольно четко на глубине
2900 км.

Ядро.

Все сведенья о составе ядра основывается
на предположениях. Ученые Молодецкий
и Соверенский – советские географы,
занимались изучением ядра.

studfiles.net

«Происхождение структур земной коры» / Земля

Химический состав Земли (Ботт, 1974; Белоусов, 1975; Ушаков, 1974). Мантия и ядро, составляющие 99% объёма Земли, недоступны для непосредственного изучения. Породы, составляющие земную кору, не отвечают составу внутренних тел планеты, так как их плотность, даже по сравнению со средней плотностью Земли, слишком мала. Тем не менее общее представление о составе Земли благодаря исследованиям В. И. Вернадского, А. Е. Ферсмана и B. М. Гольдшмидта было сформировано уже в начале этого века. Наша планета на 90 % состоит, по-видимому, из четырёх (железо, кислород, кремний, магний) и на 98 % — из восьми химических элементов: вышеназванные четыре плюс никель, кальций, сера и алюминий. На долю всех остальных элементов приходится лишь 2 % от общей массы Земли. Это представление базируется на сопоставлении расчётных физических свойств внутренних оболочек со свойствами различных видов земных пород и отдельных минералов при лабораторных экспериментах с высокими давлениями и температурами, а также на аналогиях с химическим составом метеоритов. Существуют два основных класса метеоритов: один составляют железные, другой — каменные метеориты. Железные метеориты (или сидериты) состоят главным образом из сплавов железа (90 %) с никелем. От общего числа собранных на Земле метеоритов их доля составляет примерно 10 %. Каменные метеориты (аэролиты) состоят из силикатов. Они делятся на две группы:

1 — хондриты, содержащие мелкие округлые зерна (хондры) силикатного (пироксенового, оливинового, смешанного) состава, взвешенные в тонкозернистой массе того же силикатного вещества;

2 — ахондриты, не содержащие хондр. Хондриты имеют преимущественное распространение. Их доля достигает 90 % от общего числа аэролитов. Минеральный состав хондритов подобен составу ультраосновных горных пород, %: оливин — 46, пироксены — 25, плагиоклазы — 11, железо-никелевые компоненты — 12. Существование двух основных классов метеоритов означает, что породившие их материнские тела состояли главным образом из силикатов и железо-никелевых сплавов. Причём силикатные и железо-никелевые массы были обособленны друг от друга: железо-никелевые массы, как более плотные, вероятно, концентрировались в центре тел, а силикаты составляли оболочки.

По аналогии с этим можно предполагать, что Земля также имеет железо-никелевое ядро и мантию, по составу близкую к хондритам. Плотности внутренних масс Земли, установленные геофизическими исследованиями, этому предположению не противоречат. Вопрос о времени разделения первичного космического вещества на силикатную и железо-никелевую фазы до сих пор остаётся дискуссионным.

Сейчас господствует точка зрения, что в момент своего рождения наша планета представляла собой квазиоднородное тело, а её расслоение на оболочки и обособление ядра произошло значительно позднее, причём эти процессы протекали с умеренной скоростью. Разогрев планеты, обусловивший дифференциацию первичного вещества, нарастал постепенно. Земной шар, видимо, никогда не был полностью расплавлен. Если бы такое случилось хотя бы на недолгое время, то дифференциация первичного вещества завершилась бы именно в эту жидкую стадию. Между тем магматические явления, наиболее ярко отражающие дифференциацию и разделение глубинного вещества по удельному весу, имели место на продолжении всей длительной (более 3.5 млрд. лет) геологической истории Земли (Проблемы эволюции…, 1986) и весьма энергично продолжаются в настоящее время. Несомненно, что дифференциация ещё далека от завершения.

Поэтому допускается, что в нижней мантии до сих пор сохраняется исходный средний состав Земли, близкий к хондритовому, и что отделение от неё относительно более лёгких масс, всплывающих вверх, и более тяжёлых масс, погружающихся вниз, является тем энергетическим источником, за счёт которого питаются все эндогенные процессы и поддерживается тектоническая активность Земли на продолжении всей её жизни.

www.gemp.ru

7. Химический состав Земли. Строение земного шара

7. Химический состав Земли

Мы уже коснулись немного этого вопроса. Мы видели, что земная кора состоит в основном из магматических горных пород кислого или основного состава и что ее подстилает перидотитовая оболочка ультраосновного состава. Рассмотрим этот вопрос несколько подробнее.

Среди коренных пород, выходящих на поверхность Земли, преобладают осадочные (рис. 13).

Рис. 13. Обнажение осадочных горных пород близ г. Подольска, Моск. обл.

Но по мере увеличения глубины быстро возрастает роль изверженных, или магматических, пород; можно считать, что последние составляют процентов 95 от всей массы пород, заполняющих наружные 10–15 километров толщи земной коры. Поскольку химический состав горных пород известен, тем самым известен и химический состав внешних частей земной коры. Далее положение становится менее ясным. Если наши прежние рассуждения относительно состава и глубины залегания различных слоев в земной коре — гранитного, базальтового — правильны, то можно дать цифры, характеризующие химический состав земной коры («сиаль») в целом. Результаты получаются такими: кислород — около 50 %; кремний — около 25 %; алюминий — около 7 %; железо — около 4 %; далее следуют кальций, натрий, калий, магний, а все остальные элементы — в количествах менее 1 % каждый.

Ниже, в толще «перидотитовой», а затем и «промежуточной» оболочек, как обычно считалось, роль кислорода, кремния и алюминия снижается и на первое место выступает железо. Для всего земного шара, включая и ядро, приводились такие цифры (В. И. Вернадский, А. Е. Ферсман, Г. Вашингтон): железо — около 40 %; кислород — около 28 %, кремний — около 15 %; магний — около 9 %, далее никель, кальций, алюминий, а остальные элементы в количествах менее 1 % каждый.

Какие соображения положены в основу этих расчетов?

Прежде всего, как о том говорилось, данные о распределении плотностей внутри Земли. Сведения о законе изменения плотностей в глубинах Земли могут считаться достоверными. Увеличение плотности с глубиной несомненно, и средняя плотность Земли в целом — 5,52 — вычислена с большой точностью.

Другое обстоятельство — проблема метеоритов. Метеориты, блуждающие в мировом пространстве, выпадают на Землю в довольно больших количествах. В течение года Земля получает в виде метеоритов несколько тысяч тонн вещества. До последнего времени считалось, что метеориты, так же как и астероиды («малые планеты»), представляют собой осколки когда-то распавшейся планеты, орбита которой находилась между Землей и Марсом. Недавно высказана другая мысль, о которой мы уже говорили в начале статьи, касаясь гипотезы О. Ю. Шмидта: планеты суть скопление метеоритов. Так или иначе, в обоих случаях между планетами (в том числе и Землей) и метеоритами имеется, очевидно, некоторая родственная связь, и состав метеоритов не должен сильно отличаться от состава планет, в том числе и Земли.

К настоящему моменту хорошо изучено около 600 выпавших на Землю в разные времена и в разных местах метеоритов. Из них около 50 оказалось железными, остальные — каменные. Железные метеориты содержат 91 % самородного железа, остальное приходится на никель (8 %), фосфор и кобальт (1 %). Каменные метеориты по своему составу очень близки к ультраосновным породам типа перидотитов и содержат преимущественно такие минералы, как оливин, и близкие к нему.

В целом средний химический состав метеоритов, по А. Е. Ферсману, определяется такими цифрами: кислород — около 53 %; кремний — около 15 %; магний — около 13 %; железо — около 12 %; сера — около 2 %; алюминий — около 1 %; остальные элементы — меньше 1 % каждый[4]).

Какие же выводы можно сделать на основании этих сведений?

Прежде всего надо отметить химическое родство тел солнечной системы, химическое тождество их (мы сказали бы химическое единство) — вывод, имеющий большое методологическое значение. Ни одного элемента, ни одного минерала не обнаружено в метеоритах такого, которого бы не было на Земле.

Далее, обращает на себя внимание тот факт, что метеориты по своему химическому составу близки к земной коре, если судить о составе последней по приведенным выше цифрам, основанным на химических анализах горных пород.

Наконец, третье обстоятельство: существование железных метеоритов указывает на возможность значительной дифференциации (разделения) вещества, что, вероятно, относится и к Земле, в условиях которой одним из ведущих факторов в этом отношении могут явиться гравитационные силы (т. е. сила тяжести). Под воздействием силы тяжести минералы тяжелые должны стремиться к центру Земли, минералы легкие — к поверхности. Земля будет расслаиваться, что облегчается пластическим состоянием вещества в глубине земного шара. Такое расслоение называется «гравитационной дифференциацией». В последние годы «гравитационная дифференциация» привлекает большое внимание геологов и геофизиков. В. В. Белоусов предложил гипотезу о причинах тектонических движений, в основу которой положена идея о гравитационной дифференциации; эта идея в свою очередь связана с космогонической теорией О. Ю. Шмидта.

Все изложенное, казалось бы, приближает нас к решению вопроса о составе земного шара, в том числе и его ядра, если бы не одно обстоятельство: опять все то же высокое давление! Дело в том, что при очень высоком всестороннем давлении силикаты, т. е. минералы, из которых состоят ультраосновные породы, могут настолько сильно уплотняться, что переходят в новую, так называемую металлическую фазу, приобретая свойства металлов, в частности железа. Еще в 1939 г. В. Н. Лодочников, профессор Ленинградского горного института, предлагал объяснить поведение сейсмических волн в глубине Земли «уплотнением пронизываемых тел от нагрузки вышележащих пород без всякого изменения вещественного состава этих тел». Позже эту мысль подтвердил английский ученый В. X. Рамсей, показавший с помощью расчетов, что такой процесс возможен и что прежняя гипотеза о железном ядре отнюдь не является обязательной.

Что же в итоге? Изменяется ли состав земных оболочек с глубиной так, что в ядре остается почти одно лишь железо? Или состав не изменяется, но вещество залегающих в глубине минералов переходит в новую фазу и меняются лишь его свойства? Известный советский геофизик В. А. Магницкий пишет по этому поводу так: «…в настоящее время мы должны считать обе гипотезы о строении ядра равноправными рабочими гипотезами». Вероятно, это так; но в последние годы, нужно заметить, накапливается все больше фактов, которые говорят не в пользу гипотезы о железном ядре, а, скорее, в пользу упомянутых выше идей В. Н. Лодочникова.

librolife.ru

Строение и состав земли. Изменения в строении и составе планеты

Планета Земля относится к планетом земной группы, это говорит о том, что поверхность Земли твердая и строение и состав Земли во многом похоже на другие планеты земной группы. Земля является самой крупной планетой земной группы. У Земли самый большой размер, масса, сила гравитации и магнитного поля. Поверхность планеты Земля еще очень (по астрономическим меркам) молода. 71% Поверхности планеты занимает водная оболочка и это делает планету уникальной, на других планетах вода на поверхности не могла бы находиться в жидком состоянии из-за неподходящих температур планет. Способность океанов сохранять тепло воды, позволяет координировать климат, перенося это тепло в другие места при помощи течения (наиболее известное теплое течение – Гольфстрим в Атлантическом океане).

Строение и состав Земли

Строение и состав Земли похож на многие другие планеты, но все же есть весомые отличия. В составе земли можно найти все элементы таблицы Менделеева. Строение Земли всем известно с малых лет: металлическое ядро, большой слой мантии и, конечно же, земная кора с большим разнообразием рельефа и внутреннего состава.

Состав Земли.

Изучая массу Земли ученые пришли к выводу, что планета состоит на 32% из железа, 30% кислорода, 15% кремния, 14% магния, 3% серы, 2% никеля, 1,5% земли состоит из кальция и на 1,4% из алюминия, а на остальные элементы приходится 1,1%.

Строение Земли.

Земля, как и все планеты земной группы имеет слоистое строение. В центре планеты расположено ядро из расплавленного железа. Внутренняя часть ядра состоит из твердого железа. Все ядро планеты окружено вязкой магмой (более твердой, чем под поверхностью планеты) В состав ядра так же входит расплавленный никель и другие химические элементы.

Мантия планеты – вязкая оболочка на которую приходится 68% массы планеты и около 82% от общего объема планеты. Мантия состоит из силикатов железа, кальция, магния и многих других. Расстояние от поверхности Земли до ядра более 2800 км. и все это пространство занимает мантия. Обычно мантию разделяют на две основные части: верхнею и нижнюю. Выше отметки 660 км. до земной коры расположена верхняя мантия. Известно, что она, со времен формирования Земли и до наших дней, потерпела значительные изменения в своем составе, так же известно, что именно верхняя мантия породила земную кору. Нижняя мантия расположена, соответственно, ниже границы 660 км. до ядра планеты. Нижняя мантия была мало изучена из-за трудной доступности, но у ученых есть все основания полагать, что нижняя мантия не потерпела серьезных изменений в своем составе за все время существования планеты.

Земная кора – самая верхняя, твердая оболочка планеты. Толщина земной коры сохраняется в пределах от 6 км. на дне океанов и до 50 км. на континентах. Земную кору, так же как и мантию, разделяют на 2 части: океаническая земная кора и континентальная земная кора. Океаническая земная кора состоит, в основном, из различных пород и осадочного чехла. Континентальная земная кора состоит из трех слоев: осадочный чехол, гранитный и базальтовый.

За время жизни планеты состав и строение Земли терпели значительные изменения. Рельеф планеты постоянно меняется, тектонические плиты то сдвигаются, образуя на месте своего стыка большие горные рельефы, то раздвигаются, создавая между собой моря и океаны. Движение тектонических плит происходит из-за изменения температур мантии под ними и под различными химическими воздействиями. Состав планеты тоже подвергался различным внешним воздействиям, что привело в его изменению.

В один момент, Земля достигла того состояния, чтобы на ней могла появиться жизнь, что и произошло. Эволюция жизни на Земле длилась очень долгое время. За эти миллиарды лет она смогла из одноклеточного организма перерасти или мутировать в многоклеточные и сложные организмы, каким и является человек.

on-space.ru

Химический состав земной коры — Мегаобучалка

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛИТОСФЕРЫ

Образование литосферы

После того как масса планеты достигла приблизительно современного значения около 4,6 млрд. лет назад, началось ее само­разогревание. Источников тепла было два – гравитационное сжа­тие и радиоактивный распад. В результате температура внутри Земли стала повышаться и началось плавление металлов. Мантия образовалась в результате дифференциации первичного вещества по плотности. Железо и никель, опустившись, сконцентрировались в ядре, а в мантии накопилось относительно легкое вещество — пиролит. Процесс дифференциации вещества мантии продолжается и в настоящее время.

 

Строение Земли

При современных технических средствах мы не можем непо­средственно наблюдать и изучать глубинные слои Земли. Самая глубокая буровая скважина на Земле не достигает 8 км.Более глубокие слои изучаются косвенными геофизическими методами, на основании которых можно лишь строить гипотезы. Наиболее важным является сейсмический метод, который по скорости распространения в Земле упругих волн, вызванных землетрясением или искусственными взрывами, дает возможность судить об упругих свойствах вещества, залегающего на разной глубине. Так на основании многочисленных измерений установлено, что скорость распространения сейсмических волн меняется скачкообразно на определенных глубинах. Это связано, прежде всего, со скачкообразным изменением плотности слоев Земли (Таблица 8.2.1).

Первая зона раздела, называемая зоной Мохоровичича, находится на средней глубине 33 км, вторая – на средней глубине 2900 км.Эти зоны делят Землю на три основных слоя: кору, мантию и ядро (Рисунок 8.2.1).

Кора– верхняя твердая каменная оболочка Земли. По физическим свойствам кору делят на три слоя: осадочный, гранитный и базальтовый (Рисунок 8.2.2). По мощности и строению выделяют два основных типа коры: материковый и океанический,

 

Рисунок 8.2.1 – Оболочки Земли, выделяемые по скорости прохождения сейсмических волн

(Богомолов, Судакова, 1971)

 

в промежуточной полосе между ними находится кора переходного типа. Материковая кора имеет среднюю толщину 35 км (до 80 кмв горных странах) и состоит из трех слоев: осадочный мощно­стью 0 – 15 км, гранитный средней мощностью 10 км и базальтовый средней мощностью 20 км. Осадки представлены в основном глинами, песками и известняками. Толщина океанической коры в среднем 5 км: осадочный слой имеет толщину около 1,5 км, гранитный слой отсутствует, базальтовый имеет мощность около 5 км. Названия гранитный и базальтовый им даны не за их минералогический состав, а потому что скорость прохождения сейсмических волн в этих слоях соответствует скорости сейсмических волн в граните и базальте.

 

 

 

Рисунок 8.2.2 – Строение земной коры: 1 – вода, 2 – осадочный слой, 3 – гранитный слой,

4 – базальтовый слой, 5 – мантия (Неклюкова, 1975)

В жизни земной коры происходят непрерывные изменения – идет формирование и развитие больших прогибов и поднятий. В областях стабильных, так назы­ваемых платформенных, поднятия и прогибы измеряются сотнями километров, а скорость вертикальных движений измеряется долями миллиметра в год. В подвижных, так назы­ваемых геосинклинальных зонах, прогибы и поднятия имеют удлинен­ную форму порядка 50 – 100 км, а скорость вертикального движе­ния порядка 1 см в год. Причина вертикальных движений кроется в мантии Земли.

Мантия оболочка Земли, отличающаяся от коры главным образом физическими параметрами. Она состоит из окислов магния, железа и кремния, которые и образуют магму. Давление в мантии, возрастает с глубиной и достигает на границе ядра 1,3 млн. атмосфер. Плотность мантии увеличивается от 3,5 в верхних слоях до 5,5 г/см3на границе ядра. Температура вещества мантии соответственно увеличивается примерно от 500°С до 3800°С. Несмотря на высокую температуру, ман­тия находится в твердом состоянии.

На глубинах от 100 до 350 км, особенно в пределах 100 – 150 км, сочетание тем­пературы и давления тако­во, что вещество находится в размягченном или рас­плавленном состоянии. Этот слой плавления и повышен­ной активности называется астеносферой, иногда – волноводом. Конвекционные токи порождают горизонтальные астеносферные течения. Их скорость достигает нескольких десятков санти­метров в год. Эти течения привели к расколу литосферы на от­дельные глыбы и к их горизонтальному перемещению, известному как дрейф материков. В астеносфере находятся вулканические очаги и центры глубокофокусных землетрясений.

Над астеносферой проводится нижняя граница литосферы. Жизнь земной коры, ее вертикальные и горизонтальные движе­ния, вулканизм и землетрясения тесно связаны с верхней мантией. Поэтому в литосферусовременная наука включает земную кору и самую верхнюю мантию до астеносферы, до глубины около 100 км.

Мантия простирается от земной коры до глубины 2900 км, где граничит с ядром, находящимся в середине Земли.

Таблица 8.2.1 – Глубины и основные свойства геосфер (Шубаев, 1979)

 

Название геосферы Глубина,
км
Плотность, г/см3 Температура,
ºС
Доля в общей массе, %
Земная кора 5-40 до 70 2,7-2,9 0,8
 
Мантия
верхняя 40-400 3,6 1400-1700 10,4
средняя 400-960 4,7 1700-2400 16,4
нижняя 960-2900 5,6 2900-4700 41,0
Ядро 2900-6371 свыше 11,5 31,5

 

Ядро – центральная часть Земли не совсем ясной химической и физической природы. С начала XX в. существует гипотеза, что ядро на 85 – 90% со­стоит из железа; во внешнем жидком ядре к нему добав­ляется кислород, а во внут­реннем – никель. По современным дан­ным, больше сторонников имеет гипотеза сили­катного ядра. Однако независимо от состава химических элементов для ядра, в силу особых физических условий, характерно полное вырождение химических свойств вещества. Температура ядра по­рядка 4000°С, давление в центре Земли более 3,5 млн. атмосфер. При таких условиях вещество переходит в так называемую металли­ческую фазу, электронные оболочки атомов разрушаются и обра­зуется электронная плазма отдельных химических элементов. Веще­ство становится более плотным и насыщенным свободными электро­нами. Огромные кольцевые вихри свободных электронов, возника­ющие в ядре, порождают, вероятно, постоянное магнитное поле Земли, которое прости­рается в околоземное пространство на несколько земных радиусов. Образование магнитосферы и изоляция земной природы от плазмы солнечной короны было первым и одним из важнейших условий зарождения жизни, развития биосферы и становления гео­графической оболочки.

Внешнее ядро – жидкое. Плотность внешнего ядра в верхней части около 10,0 г/см3. Внутреннее ядро– твер­дое, его плотность доходит до 13,7 г/см3.

 

Химический состав земной коры

Распространение химических элементов в земной коре впервые количественно оценил американский ученый Ф.У. Кларк. В его честь среднее значение относительного содержания химического элемента в земной коре принято называть кларком.

Все элементы земной коры, согласно их кларкам, можно условно разбить на две группы:

  1. Элементы, имеющие большие кларки. В эту группу входят (кларки приведены по Виноградову, 1960):
кислород (О) – 47% кальций (Са) – 2,96%
кремний (Si) – 29,5% натрий (Na) – 2,50%
алюминий (Al) – 8,05% калий (К) – 2,50%
железо (Fe) – 4,65% магний (Mg) – 1,87%

 

Сумма этих 8 этих элементов составляет 99,03%. В эту же группу входят водород (Н – 0,1%) и титан (Ti – 0,7%). Элементы этой группы образуют самостоятельные химические соединения, их называют главными.

  1. Элементы с малыми кларками. В эту группу входят все остальные элементы в земной коре, они большей частью рассеяны среди химических соединений других элементов, их называют рассеяными

За границу между группами условно принимают среднее содержание химического элемента, равное 0,1%. В земной коре преобладают легкие атомы, занимающие начальные клетки периодической системы, ядра которых содержат небольшое количество протонов и нейтронов. Также преобладают элементы с четными порядковыми номерами и атомными массами.

Процессы, происходящие в глубинах Земли, влияют на образование горных пород, на землетрясения и вулканические извержения, на медленные колебания поверхности суши и морского дна и на другие явления, преобразующие поверхность Земли. Поэтому, изучая географическую оболочку, необ­ходимо знать строение Земли и природу ее внутренних слоев.

 

megaobuchalka.ru

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЗЕМЛИ

Состав Земли, особенно её оболочек, существенно отличается от состава небесных тел.

Если с созданием космических ракет стало возможным изучение состава атмосферы на любых высотах, изучение химического состава планет, а создание подводных лодок и глубоководных аппаратов батискафов позволило проникнуть в тайны мирового океана.

Батискаф (от греч. batkys – глубокий и skáphos – судно) – глубоководный самоходный аппарат для океанографических и т. п. исследований. Первый батискаф построен швейцарским физиком О. Пиккаром в 1948 г. В 1960 г. на батискафе «Триест» достигнуто дно Марианского жёлоба в Тихом океане (10 994 м).

Однако не следует переоце­нивать наши успехи в познании литосферы, в частности земной коры, которая для нас представляет особый интерес. Земная твердь – terra incognita – земля неизведанная.

 

 

 

Рис. 1. Глубоководный аппарат «Мир-1» Института океанологии

им. П.П. Ширшова[8] Российской академии наук (РАН)

 

Из чего состоят области земного шара, находящиеся ниже земной коры, узнать не так-то просто. Глубокие скважины, которые бурит человек, не превосхо­дят сегодня 7 тысяч метров. И перспектив на успехи в проникновении в глубь Земли пока не видно. Самая глубокая в мире скважина (рис. ), которую пробурили геологи на Кольском полуострове, едва преодолела 12-километровый рубеж. Это всего 0,2 % радиуса Земли! Образно говоря, человек проколол булавкой на глобусе лишь самый верхний слой краски…

 

 
Схемы Кольской сверхглубокой скважины и её «создатели»

 

Рис. Схема геосфер с указанием падающего на Землю потоков

солнечной энергии и космических лучей

(расстояния от поверхности Земли даны в километрах)

Полтора века назад французский фантаст Жюль Верн написал роман «Путешествие к центру Земли», в котором предсказал, что, проникнув в недра планеты, люди найдут много удивительного, прежде всего — огромный мир, населённый доисторическими существами.

Идея оказалась плодотворной. О странном мире в глубине земного шара позднее писали такие известные авторы, как Эдгар Берроуз и Владимир Обручев. И у них были основания для фантазирования, ведь наука имеет лишь самое общее представление о том, как устроены недра. Любая теория на эту тему является гипотетической и не подтверждена прямыми измерениями. Вся информация получена из косвенных источников: сейсмологических и минералогических исследований земной коры, изучения неравномерностей гравитации, поведения магнитного поля планеты.

Понятно, что учёные не оставляют надежду взглянуть на центр Земли собственными глазами. Такой опыт позволил бы не только решить многие теоретические проблемы, но и дать надёжные сведения о том, где искать полезные ископаемые.

В XX веке наибольших успехов в этом направлении добились советские инженеры, пробурившие Кольскую сверхглубокую скважину (СГ-3), глубина которой составила 12 262 метра.

Кольская скважина бурилась в Мурманской области, на территории Печенгского медно-никелевого рудного района Балтийского щита, сложенного из древнейших архейских и протерозойских кристаллических пород. Основной задачей бурения было получить информацию об их вещественном составе и физических свойствах на больших глубинах.

Здесь впервые удалось изучить породы, относящиеся к далёкому прошлому — от 1,6 до 3 млрд. лет (возраст Земли оценивается в 4,54 млрд. лет). Хотя в процессе исследования получено много ценных сведений о недрах, результаты оказались во многом неожиданными. Директор Научно-производственного центра «Кольская сверхглубокая» Давид Губерман писал, что «до четырёх километров всё шло по теории, а дальше началось светопреставление». Теоретики считали, что температура пород останется низкой до отметки 15 километров, но уже на пяти километрах температура перевалила за 70 оС, на семи — за 120 оС, а на двенадцати — за 220 оС: на сто градусов больше предсказанного!

Были и поистине сенсационные открытия. К примеру, когда началось изучение лунного грунта, доставленного советскими автоматическими станциями, исследователи Кольской скважины установили, что он идентичен пробам, собранным ими на глубине трёх километров. Таким образом была подтверждена гипотеза, что Луна и Земля формировались совместно, но разделились в результате колоссального удара, нанесённого шальным небесным телом.

К сожалению, ныне Кольская сверхглубокая скважина практически забыта, а научный центр при ней разграблен. Российское правительство не выделяет средств на продолжение уникального эксперимента, и изучение недр в нашей стране приостановлено.

Новейшие изыскания спелеологов, работающих в самых глубоких пещерах, подтверждают: таинственный мир земных недр, о котором писали Жюль Верн с коллегами, всё-таки существует.

Долгое время считалось, что развитые формы жизни не могут существовать без солнечного света. Однако глубоководные погружения показали, что жизнь проникла даже на дно Марианской впадины. Аналогичные исследования проводятся в пещерах, шахтах и скважинах.

К примеру, неподалеку от города Рамле в Израиле была вскрыта Аялонская пещера, изолированная от внешнего мира пять миллионов лет. Там учёные нашли подземное озеро, в котором обитали восемь неизвестных ранее видов ракообразных. Все они оказались безглазыми. Ещё более интересное открытие ожидало исследователей золотодобывающих шахт в Южной Африке. С двухкилометровой глубины были подняты мелкие юркие червячки, прозванные «дьявольскими» (Halicephalobus mephisto) — они тысячелетиями жили без контакта с внешним миром в горячих потоках с высоким содержанием сульфидов, питаясь местными бактериями. На трёхкилометровой глубине золотого прииска Мпоненг обитает микроб, названный исследователями «отважным странником» (Desulforudis audaxviator) в честь строки из романа Жюля Верна «Путешествие к центру Земли». Микроб столь долго развивался в отрыве от остальной биосферы, что обрёл уникальные свойства: от способности закукливаться в неблагоприятных условиях до возможности выращивать специальные жгутики, если ему надо покинуть место постоянного обитания. Единственное, что может мгновенно убить «странника», – соприкосновение с кислородом.

Вертикальные природные пещеры не могут быть глубже трёх километров – расчёты показывают, что на такой глубине их раздавит масса окружающих пород.

Самой глубокой пещерой из открытых в настоящее время является пещера Крубера-Воронья в Абхазии (2196 метров).

Первой обследованной пещерой глубиной более километра стала французская пропасть Берже (1323 метра), открытая в 1953 году.

Учёные полагают, что толща земных пород заселена микроорганизмами до глубины семи километров, а возможно, и ещё глубже. Изучение этих мелких существ даст нам не только новое знание об эволюции жизни на Земле, но и основания для поиска аналогичных биосфер на других планетах.

Потенциальные открытия, которые может принести непосредственная разведка недр, стимулируют творческое воображение учёных. Например, профессор геофизики из Калифорнийского технологического института Дэвид Стивенсон выдвинул оригинальный и технически осуществимый проект достижения земного ядра с использованием ядерного заряда.

Схема Стивенсона выглядит так. Мы взрываем в природном геологическом разломе особым образом сконструированный заряд, по мощности в три раза превышающий бомбу, сброшенную на Хиросиму. При этом образуется узкая трещина глубиной в несколько сотен метров. Чтобы не дать трещине «зарасти», начинаем лить в неё жидкий металл при температуре 1000-1200 оС. Имея более высокую, чем окружающие породы, плотность, металл устремится прямо вглубь планеты со скоростью 5 м/с. По расчётам, не пройдёт и недели, как раскалённая лавина опустится на глубину трёх тысяч километров и достигнет земного ядра. Но главное, что металл будет толкать впереди себя особый исследовательский зонд размером с апельсин. С помощью высокочастотных сейсмических волн зонд будет сообщать ученым информацию о плотности окружающей среды.

Идея профессора Стивенсона основана на разработке «Горячая капля» российских специалистов из Института теоретической физики, которые ещё тридцать лет назад предлагали похожий вариант «разрыва» недр для захоронения радиоактивных отходов.

Пока что этот и другие проекты проникновения вглубь Земли выглядят утопическими. Но кто знает, что будет завтра, когда дефицит природных ресурсов заставит человечество серьёзней задуматься над тем, какие несмётные сокровища хранятся у него под ногами на глубине нескольких километров?

Рассмотрим современные данные о химическом составе Земли. К счастью, недра планеты можно изучать не только при помощи бурения скважин, но и по красноречивым «рассказам» сейсмических волн – упругих колебаний, распространяющихся в Земле от очагов землетрясений или взрывов.

Итак, исследователи научились заглядывать глубоко внутрь и по косвенным признакам судят о том, что видеть воочию им пока не дано. …Всё то, из чего образованы «земная твердь», необозримые водные пространства и воздушная оболочка Земли – атмосфера, состоит из различных сочетаний сравнительно небольшого числа химических элементов (около 90), встречающихся в природе. Подобные «кирпичики» слагают минералы и горные породы. Их эволюцию (от лат. evolution – развёртывание) во времени, распределение в земной коре и элементный состав исследуют несколько научных дисциплин. Главенствующая же роль принадлежит геохимии.

Похожие статьи:

poznayka.org

Физические свойства и химический состав Земли

К физическим свойствам Земли относят температурный режим (внутреннюю теплоту), плотность и давление.

Внутренняя теплота Земли.По современным представлениям Земля после ее образования была холодным телом. Затем распад радиоактивных элементов постепенно разогревал ее. Однако в результате излучения тепла с поверхности в околоземное пространство происходило ее охлаждение. Образовались относительно холодная литосфера и земная кора. На большой глубине и сегодня высокие температуры. Рост температур с глубиной можно наблюдать непосредственно в глубоких шахтах и буровых скважинах, при извержении вулканов. Так, изливающаяся вулканическая лава имеет температуру 1200–1300 °C.

На поверхности Земли температура постоянно изменяется и зависит от притока солнечного тепла. Суточные колебания температур распространяются до глубины 1–1,5 м, сезонные – до 30 м. Ниже этого слоя лежит зона постоянных температур, где они всегда остаются неизменными и соответствуют среднегодовым температурам данной местности на поверхности Земли.

Глубина залегания зоны постоянных температур в разных местах неодинакова и зависит от климата и теплопроводности горных пород. Ниже этой зоны начинается повышение температур, в среднем на 30 °C через каждые 100 м. Однако величина эта непостоянна и зависит от состава горных пород, наличия вулканов, активности теплового излучения из недр Земли. Так, в России она колеблется от 1,4 м в Пятигорске до 180 м на Кольском полуострове.

Зная радиус Земли, можно подсчитать, что в центре ее температура должна достигать 200 000 °C. Однако при такой температуре Земля превратилась бы в раскаленный газ. Принято считать, что постепенное повышение температур происходит только в литосфере, а источником внутреннего тепла Земли служит верхняя мантия. Ниже рост температур замедляется, и в центре Земли она не превышает 50 000 °C.

Плотность Земли.Чем плотнее тело, тем больше масса единицы его объема. Эталоном плотности принято считать воду, 1 см3 которой весит 1 г, т. е. плотность воды равна 1 г/с3. Плотность других тел определяется отношением их массы к массе воды такого же объема. Отсюда понятно, что все тела, имеющие плотность больше 1, тонут, меньше – плавают.

Плотность Земли в разных местах неодинакова. Осадочные породы имеют плотность 1,5–2 г/см3, а базальты – более 2 г/см3. Средняя плотность Земли составляет 5,52 г/см3– это в 2 с лишним раза больше плотности гранита[3]. В центре Земли плотность слагающих ее пород возрастает и составляет 15–17 г/см3.

Давление внутри Земли.Горные породы, находящиеся в центре Земли, испытывают огромное давление со стороны вышележащих слоев. Подсчитано, что на глубине всего лишь 1 км давление составляет 104гПа, а в верхней мантии оно превышает 6 * 104гПа. Лабораторные эксперименты показывают, что при таком давлении твердые тела, например мрамор, изгибаются и могут даже течь, т. е. приобретают свойства, промежуточные между твердым телом и жидкостью. Такое состояние веществ называют пластическим. Данный эксперимент позволяет утверждать, что в глубоких недрах Земли материя находится в пластическом состоянии.

Химический состав Земли.В Земле можно найти все химические элементы таблицы Д. И. Менделеева. Однако количество их неодинаково, распределены они крайне неравномерно. Например, в земной коре кислород (О) составляет более 50 %, железо (Fе) – менее 5 % ее массы. Подсчитано, что базальтовый и гранитный слои состоят в основном из кислорода, кремния и алюминия, а в мантии возрастает доля кремния, магния и железа. В целом же принято считать, что на 8 элементов (кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий, водород) приходится 99,5 % состава земной коры, а на все остальные – 0,5 %. Данные о составе мантии и ядра носят предположительный характер.

Похожие статьи:

poznayka.org