Для сдачи тестов, рубежного контроля, а также закрепления материала используйте браузеры MS Internet Explorer, Mozilla Firefox, Chromium
    Главная страница электронного учебника
    Содержание дисциплины

    Введение. Общий обзор в геологию нефти и газа
    Содержание дисциплины

    Внутреняя оболочка Земли

    Учебная тема
    Строение Земли

    Строение Земли.

    Физические, космологические, химические концепции подводят вплотную к представлениям о Земле, ее происхождении, строении и разнообразнейших свойствах. Комплекс наук о Земле обычно называют геологией (греч. geо - Земля). Земля - место и необходимое  условие существования человечества. По этой причине геологические концепции имеют для человека насущнейшее значение. Геологические концепции возникают не самопроизвольно, они являются итогом кропотливейших научных изысканий. 

    Земля - уникальный космический объект. Планетарный взгляд на все происходящие на Земле процессы сформировался в эпоху Великих географических открытий. Эта эпоха охватывает XV - XVΙΙ вв., когда человек сумел взглянуть на Земной шар как на единое целое. Ориентация на такой «взгляд» определила «дух» всей последующей эпохи, вплоть до середины XX столетия (до исчезновения «белых пятен» на планете). Все устремления того периода были направлены на достижение полноты представлений о Земном шаре, что стало возможным в XX в. благодаря появлению аэрофотосъемки, а затем благодаря возможностям фотографировать Землю из космоса. После этого появилась возможность сформулировать исходные понятия физической географии, создать фундамент для исследования земных оболочек, геосфер. Этот период можно назвать «перевалом», преодолев который, одна из важнейших наук естествознания - география превратилась в строгую науку, и началось активное изучение геосфер. 

    Современная геология констатирует тот факт, что Земля имеет сложную и еще недостаточно изученную историю развития. Земля - это объект, который продолжает находиться в процессе становления. Поэтому изучение строения Земли актуально и по сей день. В своей работе я постараюсь перечислить и дать характеристику основным геосферным оболочкам Земли. А также раскрыть концепции развития геосфер в современном естествознании и эксперименты современных ученых, пополнившие картину недр Земли. 

    II. Основная часть 

    1. Строение Земли 

    О строении Земли геологи судят в основном по сейсмическим данным, получаемым при регистрации колебаний, вызываемых землетрясениями и атомными взрывами. При этом учитывается скорость передачи колебаний, а также тот факт, что продольные волны распространяются в любой среде - жидкой, твердой, газообразной, а поперечные лишь в средах, обладающих большой упругостью, т.е. в твердых объектах. Продольные волны связаны со сжатием среды (любой). В поперечной волне частицы среды колеблются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения продольной волны. Поперечные волны связаны с деформацией сдвига упругой среды. Примером поперечных волн являются колебания, распространяющиеся вдоль струн музыкальных инструментов. 

    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 Rп = 6356, 78 км, а экваториальный Rэ = 6378, 16 км. Масса Земли Мз = 5,98  1024 кг, а средняя плотность ρз = 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 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 + 6O

    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 → CaF+ 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. 

    Контрольные вопросы: 

    1.                 Строение Земли. 

    2.                 Истории геосферных оболочек Земли. 

    3.                 Геосферные оболочки и их строение. 

    4.                 Асимметричность процессов, протекающих в геосферах. 

    5.                 Современные концепции развития геосфер. 

    Содержание дисциплины

    Введение. Общий обзор в геологию нефти и газа

    Закрепление материала
    Тестирование материала
    Содержание дисциплины

    Внутреняя оболочка Земли