Происхождение Земли, в картинках (345 фото) Ч5. «Магматические факты истории Земли». (256-314)

В строении Земли три основные оболочки: земная кора, мантия и ядро.

Схема внутреннего строения Земли

Поверхность Земли покрывает каменная оболочка — земная кора. Ее толщина под океанами составляет всего 3–15 км, а на материках доходит до 75 км. Получается, что по отношению ко всей планете земная кора тоньше, чем кожура у персика. Верхний слой коры образован осадочными горными породами, под ним находятся «гранитный» и «базальтовый» слои, которые названы так условно.

Под земной корой располагается мантия. Мантия — внутренняя оболочка, покрывающая ядро Земли. С греческого языка «мантия» переводится как «покрывало». Ученые предполагают, что верхняя часть мантии состоит из плотных пород, то есть она твердая. Однако в ней на глубине 50—250 км от поверхности Земли размещается частично расплавленный слой, который называется магмой. Она сравнительно мягкая и пластичная, способна медленно течь и таким образом перемещаться. Скорость движения магмы невелика — несколько сантиметров в год. Однако это играет решающую роль в движениях земной коры. Температура верхнего слоя магмы — около +2000 °С, а в нижних слоях жар может достигать +5000 °С. Земная кора вместе с верхним слоем раскаленной мантии называется литосферой.

Под мантией, на глубине около 2900 км от поверхности, скрыто ядро Земли. Оно имеет форму шара радиусом почти 3500 км. В ядре выделяют внешнюю и внутреннюю часть, которые отличаются по составу, температуре и плотности. Внутреннее ядро — самая горячая и плотная часть нашей планеты, состоящая, как полагают ученые, в основном из железа и никеля. Во внутреннем ядре давление столь велико, что оно, несмотря на огромную температуру (+6000…+10 000 °С), представляет собой твердое тело. Внешнее ядро находится в жидком состоянии, его температура — 4300 °С.

Строение земной коры

Большая часть коры снаружи покрыта гидросферой, а меньшая граничит с атмосферой. В соответствии с этим различают земную кору океанического и материкового типов, причем они имеют различное строение.

Материковая (континентальная) земная кора занимает меньшую площадь (около 40 % от всей поверхности Земли), но имеет более сложное строение. Под высокими горами ее толщина достигает 60—70 км. Состоит континентальная кора из 3 слоев — базальтового, гранитного и осадочного. Океаническая земная кора более тонкая — всего 5—7 км. Состоит она из двух слоев: нижнего — базальтового и верхнего — осадочного.

Земная кора наиболее изучена на глубину до 20 км. По результатам анализа многочисленных образцов горных пород и минералов, выходящих на поверхность земли при горообразовательных процессах, а также взятых из горных выработок и глубоких буровых скважин, был вычислен средний состав химических элементов земной коры.

Пограничный слой, разделяющий мантию и кору Земли, называют границей Мохо-ровичича, или поверхностью Мохо, в честь хорватского ученого А. Мохоровичича. Он первым в 1909 г. указал на характерное повеление сейсмических волн при переходе границы, которая прослеживается по всему земному шару на глубине от 5 до 70 км.

Геофизики обнаружили вращение внутреннего ядра Земли

Проанализировав распространение сейсмических волн при землетрясениях, авторы нового исследования пришли к выводу, что внутреннее ядро Земли вращается со скоростью около 0,05–0,1 градуса в год.

Ядро Земли разделяется на расплавленное внешнее ядро толщиной около 2200 километров, переходную зону и твердое внутреннее ядро, радиус которого — примерно 1300 километров. На глубине около 2900 километров находится граница между внешним ядром и нижними слоями земной мантии (граница Вихерта — Гутенберга). Температура на границе внутреннего ядра составляет приблизительно 5700 К (5400 °C), внешнего – от 4400 °C до 6100 °C.

Ученые пока не до конца понимают, как в земных недрах возникает эффект «магнитного динамо», при котором благодаря движению жидких масс генерируется магнитное поле Земле. Но они считают, что этот эффект тесно связан с динамическими процессами вблизи границы между внутренним и внешним ядром. Сдвиги в расположении магнитных полюсов, изменения напряженности магнитного поля и аномальные сейсмические данные побудили их рассмотреть взаимоотношение внешнего и внутреннего ядра подробнее.

«В 1996 году наша группа впервые обнаружила небольшое, но систематическое изменение сейсмических волн, проходящих через внутреннее ядро, которое мы интерпретировали как свидетельство дифференциального вращения внутреннего ядра относительно поверхности Земли, — говорит профессор Сяодун Сун (Xiaodong Song) из Иллинойского и Пекинского университетов. — Тем не менее в некоторых исследованиях считается, что то, что мы интерпретируем как движение, является результатом сейсмических волн, отражающихся от чередующихся подъемов и опусканий внутренней границы ядра».

Теперь профессор Сун и аспирант Иллинойского университета И Ян (Yi Yang) проанализировали сейсмические данные из различных географических точек от повторяющиеся землетрясений, так называемых «дублетов», которые происходят в одном месте в разное время. «Наличие данных из одного и того же места, но полученных в разное время, позволяет нам отличать изменения сейсмических сигналов из-за локальных изменений рельефа от тех, что меняются из-за движения и вращения», — пояснил Ян. Ученые выявили некоторые сейсмические волны, изменения в которых при проходе через внутреннее ядро не могли бы произойти, если бы эта часть ядра была бы неподвижной относительно других оболочек Земли.

Исследование опубликовано в журнале Earth and Planetary Science Letters.

Как изучают мантию?

Мантия находится глубоко под Землей, и даже самые глубокие буровые скважины не доходят до нее. Но иногда при прорыве газов через земную кору образуются так называемые кимберлитовые трубки. Через них на поверхность поступают мантийные породы и минералы. Самый знаменитый из них — это алмаз, самый глубокорасположенный фрагмент нашей планеты, который мы можем изучать. Благодаря таким трубкам мы можем судить о строении мантии.

Поделиться ссылкой

Магма

Кстати, что такое магма? Мы узнали, что магма – это море расплавленных пород, найденное в мантии. Этот перегретый расплав горячее или холоднее в зависимости от его местоположения и активности циркулирующих мантийных потоков.

Для измерения температуры лавы на расстоянии геологи используют пирометры. Пирометр – это оптическое устройство, которое позволяет проводить измерения температуры не рискуя. Только что изверженные магмы имеют температуру 1000-1200°С. Когда магма достигает поверхности, она остывает. Охлажденная лава становится более вязкой и менее подвижной, однако она не становится слишком густой. Лавы, которые едва движутся, имеют температуру 800°С.

Температура играет большую роль в вязкости магмы. Представьте себе тесто или патоку – чем они горячее, тем более текучие. Тепло возбуждает атомы и добавляет энергию.

В случае магмы большим фактором является также содержание кремния. Основу кристаллической структуры минералов-силикатов составляют кремнекислородные тетраэдры. Они сцеплены друг с другом общими атомами кислорода. Однако молекулы силикатов в горячей магме образуют непрочные цепи, слои и большие матрицы. Когда эти связанные силикатные молекулы становятся больше, магма становится все более и более вязкой и не хочет течь. Количество тетраэдрных связей, которое может быть организовано в сцепленные молекулярные группы, зависит от количества кремния, содержащегося в магме. При простом добавлении кремния магма становится твердой, когда остывает.

В некоторых участках земной коры температура, зарегистрированная в местах отбора образцов, выше, чем в других участках. Это говорит геологам о том, что мощность коры меняется и в некоторых районах вулканическая активность выше, чем в других. В вулканически активных районах, подобных Гавайям, на глубине 40 км были зарегистрированы температуры выше 1000°С, в то время, как в более стабильных областях температура на той же глубине всего лишь 500°С. После того как магма вытекает из глубин мантии на поверхность земной коры, ее называют лавой.

Магматические камеры – это очаги расплавленных пород, сформированные в литосфере. Эти очаги, вероятно, были сформированы в результате того, что вмещающие породы были сдвинуты вниз в процессе взаимодействия плит и расплавлены. Внешние контуры магматических камер были выявлены путем регистрации сейсмических волн от землетрясений в районах активных вулканов. На основе этих показаний могут быть вычислены глубина, размер и общая форма магматических камер.

Когда геологи изучили структуру быстроохлажденной магмы, они обнаружили, что она приобрела две различные формы: тонкокристаллическая порода или стекловатая порода без видимых кристаллов. Это магма, активно выброшенная из вулканов во время извержений.

Некоторые магмы очень жидкие и выпадают в виде дождя из мельчайших огненно-раскаленных капель, которые быстро остывают и превращаются в пепел. Некоторые магмы смешиваются с подземными водами и порождают перегретый пар и наземные грязевые потоки.

Лава, которая медленно выдавливается по каплям, вся в пузырях и шариках, подобно медленно движущейся патоке, имеет иную структуру. Так как медленно текущие подземные лавовые потоки и озера имеют более длительный путь подъема к поверхности, у них есть время, чтобы образовались кристаллы. Чем дольше лава охлаждается, тем более сложные и большего размера кристаллы могут расти без перерыва.

Как добраться до центра Земли? Самая безумная идея

Мощный грохот несется над стартовой площадкой в пустыне Мохав (Калифорния, США). Слегка дрожит земля. Но вот только никакой ракеты в небе не видно. Напротив 100.000 тонн расплавленного железа температурой 1600 градусов Цельсия пробивают себе дорогу к центру Земли. Гигантская масса жидкого металла была вылита в специально выкопанную в грунте щель шириной и глубиной 300 метров, а толщиной всего 10 сантиметров. Что должно получиться? Невероятных размеров «лезвие», которое под собственной тяжестью будет углубляться внутрь нашей планеты со скоростью 5 метров в секунду, вызывая при этом мини-землетрясения. За землетрясения отвечают специальные устройства, плавающие в массе жидкого железа.

Эти шарообразные зонды размером с грейпфрут напичкают сверххитроумной электроникой, способной выдерживать температуру в 4000 градусов и давление в миллионы раз превышающее то, что Вы ощущаете на своих плечах. Этот сверхпрочный «агент» человечества выведает, какую температуру имеют породы, сквозь которые он будет проходить, состав этих пород, их способность проводить тепло и многое другое. С помощью датчиков, встроенных в шар, ученые смогут впервые прикоснуться к раскаленным недрам нашей планеты, лежащим в тысячах километрах под поверхностью. Если все пройдет хорошо, «лезвие» закончит свое путешествие через семь дней после запуска, влившись в ядро Земли, также состоящее из расплавленного железа.

Схема путешествия к центру Земли по Дэвиду Стивенсону.

Что скажете? Идея кажется немного сумасшедшей? Да есть такое… Кстати автор идеи, известный новозеландский планетолог Дэвид Стивенсон, придумал все это под впечатлением одного фантастического кинофильма, рассказывавшего о путешествии к центру Земли. Недолго думая, Стивенсон написал на эту тему научную статью, которая была напечатана в весьма серьезном американском журнале «Нейчур».

В основе проекта новозеландца лежит простое соображение: человечество научилось запускать научные зонды за миллиарды километров от Земли, чтобы изучать космические дали, но нам до сих пор не удалось проникнуть в недра собственной планеты глубже, чем на 12 километров. Смешная цифра, не правда ли? Ведь от поверхности Земли до ее центра целых 6731 километр.

Но почему путешествие к центру Земли считается такой трудной задачей? Ну, во-первых, для бурения земли на чудовищную глубину потребуется уйма энергии. Да и какое топливо выдержит соприкосновение с огромным давлением и сверхвысокими температурами недр? На глубине 3000 километров, как считают ученые, температура породы составляет 5000 градусов, а давление — один миллион атмосфер.

Нечего и думать о том, чтобы затащить туда баки с бензином или газом — они будут раздавлены и моментально сгорят.

Однако Стивенсон предлагает черпать энергию из вполне доступного источника. Он хочет использовать… силу земного притяжения. То есть «корабль недр» поползет вниз под собственной тяжестью. При 300-метровой высоте, «лезвие» будет иметь в ширину всего 10 сантиметров. Давление 100.000 тонн железа (столько его производится ежедневно во всем мире) на такую узкий участок грунту не выдержать.

Земля «расступится», пропуская «железный корабль» к центру планеты.

Разумеется, вся эта затея не имеет никакого смысла, если в ходе экспедиции не удастся выполнить разные научные измерения.

Для этого «лезвие» понесет в себе те самые металлические шары-зонды, которые, катясь между стенками разлома, также опустятся в недра. Но как создать такие электронные устройства, чтобы они могли выдержать огромное давление и жар? По признанию самого Стивенсона, пока он этого не знает.

Замеры температуры на глубине производятся и сегодня (например, при бурении нефтяных скважин), но применяемые для этого датчики в сверхпрочной оболочке на глубине более 10 километров давления уже не держат. Иными словами, работу над зондами для путешествия к центру Земли надо начинать с нуля. Правда, Стивенсон считает, что если на разработку зондов потратить столько же денег, во сколько обошлись полеты на Луну, решение обязательно будет найдено.

Предположим, в один прекрасный день датчики для замеров на больших глубинах будут созданы. А как передать полученную ими информацию на поверхность Земли? «О, это легко, — скажете Вы. — Просто надо поставить на зонды радиопередатчики, и ученые смогут получить по радио все интересующие их данные». Э, нет, тут есть проблема. Дело в том, что радиоволны не умеют проникать сквозь толщу Земли. Однако неугомонный Стивенсон придумал другое средство общения — сейсмические волны, которые ученые называют волнами типа «P» («П» латинское), т.е сейсмические волны, идущие из глубин Земли к поверхности и вызывающие землетрясения.

Чтобы связаться с поверхностью шар-зонд затрясется и задрожит, ну прямо как старый будильник. Эти колебания пройдут сквозь толщу земли и дойдут до поверхности. Именно в этих вибрациях и будет закодирована информация, приходящая из недр. Ну, например, если температура на пути к центру Земли станет возрастать, зонд станет колебаться чаще. Изменения в колебаниях запишут сверхчувствительные приборы — сейсмографы, установленные на поверхности.

Двигаясь со скоростью 5 метров секунду, «лезвию» понадобится 7 дней, чтобы достичь жидкого ядра нашей планеты, которое находится на глубине 3000 километров.

Надо признать, что для досужего любителя путешествий и приключений, спуск в недра Земли может показаться весьма скучной затеей. Большей частью наша планета состоит из твердой породы серого, зеленого или красного цветов (это зависит от преобладающего в ней химического элемента). Внутри Земли нет ни фантастических пещер, ни гигантских океанов, ни погрузившихся в глубины континентов. Сверхвысокая температура и гигантское давление никогда не дадут появиться феерическим подземным пейзажам, созданным когда-то фантазией Жюля Верна.

Но вот для ученых-геологов спуск зондов в адские глубины, напротив, станет ярким и выдающимся событием. Ведь они еще так мало знают о том, что происходит внутри Земли, даже о температурах на огромных глубинах могут судить только очень приблизительно. Ведь на самом деле «градусник» никогда не опускался ниже 10 километров.

Необычайно интересным для ученых станет проход «лезвия» между разными слоями-сферами, слагающими земной шар, особенно между мантией и жидким ядром.

Когда и как будет проходить путешествие к центру земли? На сегодня мало кто возьмется ответить на этот вопрос. Технические трудности, которые стоят на пути проекта, настолько велики, что геологам, конечно же, придется набраться терпения. Правда, самые большие оптимисты среди них говорят: «А многие ли в 1900 году верили, что 69 лет спустя человек будет гулять по Луне?».

©При частичном или полном использовании данной статьи — активная гиперссылка ссылка на alfaed.ru ОБЯЗАТЕЛЬНА

Вас это заинтересует:

История «Яндекса» – с 1989 по 1997 гг

Зачем изобрели растворимое пиво?

Может ли самолет сдуть автомобиль?