Характеристика основных оболочек земли. Земные сферы
1. Основные оболочки земли
3. Геотермический режим земли
Список использованных источников
Введение
Геология — наука о строении и истории развития Земли. Основные объекты исследований — горные породы, в которых запечатлена геологическая летопись Земли, а также современные физические процессы и механизмы, действующие как на ее поверхности, так и в недрах, изучение которых позволяет понять, каким образом происходило развитие нашей планеты в прошлом.
Земля постоянно изменяется. Некоторые изменения происходят внезапно и весьма бурно (например, вулканические извержения, землетрясения или крупные наводнения), но чаще всего — медленно (за столетие сносится или накапливается слой осадков мощностью не более 30 см). Такие перемены не заметны на протяжении жизни одного человека, но накоплены некоторые сведения об изменениях за продолжительный срок, а при помощи регулярных точных измерений фиксируются даже незначительные движения земной коры.
История Земли началась одновременно с развитием Солнечной системы примерно 4,6 млрд. лет назад. Однако для геологической летописи характерны фрагментарность и неполнота, т.к. многие древние породы были разрушены или перекрыты более молодыми осадками. Пробелы должны восполняться посредством корреляции с событиями, происходившими в других местах и о которых имеется больше данных, а также методом аналогий и выдвижением гипотез. Относительный возраст пород определяется на основании комплексов содержащихся в них ископаемых остатков, а отложений, в которых такие остатки отсутствуют, — по взаимному расположению тех и других. Кроме того, абсолютный возраст почти всех пород может быть установлен геохимическими методами.
В настоящей работе рассмотрены основные оболочки земли, ее состав и физическое строение.
1. Основные оболочки земли
Земля имеет 6 оболочек: атмосферу, гидросферу, биосферу, литосферу, пиросферу и центросферу .
Атмосфера — внешняя газовая оболочка Земли. Ее нижняя граница проходит по литосфере и гидросфере, а верхняя — на высоте 1000 км. В атмосфере различают тропосферу (двигающийся слой), стратосферу (слой над тропосферой) и ионосферу (верхний слой).
Средняя высота тропосферы — 10 км. Ее масса составляет 75% всей массы атмосферы. Воздух тропосферы перемещается как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях.
Над тропосферой на 80 км поднимается стратосфера. Ее воздух, перемещающийся лишь в горизонтальном направлении, образует слои.
Еще выше простирается ионосфера, получившая свое название в связи с тем, что ее воздух постоянно ионизируется под воздействием ультрафиолетовых и космических лучей.
Гидросфера занимает 71% поверхности Земли. Ее средняя соленость составляет 35 г/л. Температура океанической поверхности — от 3 до 32°С, плотность — около 1. Солнечный свет проникает на глубину 200 м, а ультрафиолетовые лучи — на глубину до 800 м.
Биосфера, или сфера жизни, сливается с атмосферой, гидросферой и литосферой. Ее верхняя граница достигает верхних слоев тропосферы, нижняя — проходит по дну океанских впадин. Биосфера подразделяется на сферу растений (свыше 500 000 видов) и сферу животных (свыше 1 000 000 видов).
Литосфера — каменная оболочка Земли — толщиной от 40 до 100 км. Она включает материки, острова и дно океанов. Средняя высота материков над уровнем океана: Антарктиды — 2200 м, Азии — 960 м, Африки — 750 м, Северной Америки — 720 м, Южной Америки — 590 м, Европы — 340 м, Австралии — 340 м.
Под литосферой расположена пиросфера — огненная оболочка Земли. Ее температура повышается примерно на 1°С на каждые 33 м глубины. Породы на значительных глубинах вследствие высоких температур и большого давления, вероятно, находятся в расплавленном состоянии.
Центросфера, или ядро Земли, расположена на глубине 1800 км. По мнению большинства ученых, она состоит из железа и никеля. Давление здесь достигает 300000000000 Па (3000000 атмосфер), температура — нескольких тысяч градусов. В каком состоянии находится ядро, пока неизвестно.
Огненная сфера Земли продолжает охлаждаться. Твердая оболочкой утолщается, огненная — сгущается. В свое время это привело к формированию твердых каменных глыб — материков. Однако влияние огненной сферы на жизнь планеты Земля все еще очень велико. Неоднократно менялись очертания материков и океанов, климат, состав атмосферы.
Экзогенные и эндогенные процессы беспрерывно изменяют твердую поверхность нашей планеты, что, в свою очередь, активно влияет на биосферу Земли.
2. Состав и физическое строение земли
Геофизические данные и результаты изучения глубинных включений свидетельствуют о том, что наша планета состоит из нескольких оболочек с различными физическими свойствами, изменение которых отражает как смену химического состава вещества с глубиной, так и изменение его агрегатного состояния как функции давления.
Самая верхняя оболочка Земли — земная кора — под континентами имеет среднюю толщину около 40 км (25-70 км), а под океанами — всего 5-10 км (без слоя воды, составляющего в среднем 4,5 км). За нижнюю кромку земной коры принимается поверхность Мохоровичича — сейсмический раздел, на котором скачкообразно увеличивается скорость распространения продольных упругих волн с глубиной от 6,5-7,5 до 8-9 км/с, что соответствует увеличению плотности вещества от 2,8-3,0 до 3,3 г/см3 .
От поверхности Мохоровичича до глубины 2900 км простирается мантия Земли; верхняя наименее плотная зона толщиной 400 км выделяется как верхняя мантия. Интервал от 2900 до 5150 км занят внешним ядром, а от этого уровня до центра Земли, т.е. от 5150 до 6371 км, находится внутреннее ядро.
Земное ядро интересовало ученых с момента его открытия в 1936 году. Получить его изображение было чрезвычайно трудно из-за относительно малого числа сейсмических волн, достигавших его и возвращавшихся к поверхности. Кроме того, экстремальные температуры и давления ядра долгое время трудно было воспроизвести в лаборатории. Новые исследования способны обеспечить более детальную картину центра нашей планеты. Земное ядро разделяется на 2 отдельные области: жидкую (внешнее ядро) и твердую (внутреннее), переход между которыми лежит на глубине 5 156 км.
Железо — единственный элемент, который близко соответствует сейсмическим свойствам земного ядра и достаточно обильно распространен во Вселенной, чтобы представить в ядре планеты приблизительно 35% ее массы. По современным данным, внешнее ядро представляет собой вращающиеся потоки расплавленного железа и никеля, хорошо проводящие электричество. Именно с ним связывают происхождение земного магнитного поля, считая, что, подобно гигантскому генератору, электрические токи, текущие в жидком ядре, создают глобальное магнитное поле. Слой мантии, находящийся в непосредственном соприкосновении с внешним ядром, испытывает его влияние, поскольку температуры в ядре выше, чем в мантии. Местами этот слой порождает огромные, направленные к поверхности Земли тепломассопотоки — плюмы.
Внутреннее твердое ядро не связано с мантией. Полагают, что его твердое состояние, несмотря на высокую температуру, обеспечивается гигантским давлением в центре Земли. Высказываются предположения о том, что в ядре помимо железоникелевых сплавов должны присутствовать и более легкие элементы, такие как кремний и сера, а возможно, кремний и кислород. Вопрос о состоянии ядра Земли до сих пор остается дискуссионным. По мере удаления от поверхности увеличивается сжатие, которому подвергается вещество. Расчеты показывают, что в земном ядре давление может достигать 3 млн. атм. При этом многие вещества как бы металлизируются — переходят в металлическое состояние. Существовала даже гипотеза, что ядро Земли состоит из металлического водорода .
Внешнее ядро также является металлическим (существенно железным), но в отличие от внутреннего ядра металл находится здесь в жидком состоянии и не пропускает поперечные упругие волны. Конвективные течения в металлическом внешнем ядре являются причиной формирования магнитного поля Земли.
Мантия Земли состоит из силикатов: соединений кремния и кислорода с Mg, Fe, Ca. В верхней мантии преобладают перидотиты — горные породы, состоящие преимущественно из двух минералов: оливина (Fe,Mg) 2SiO4 и пироксена (Ca, Na) (Fe,Mg,Al) (Si,Al) 2O6. Эти породы содержат относительно мало (
Строение Земли
www.electrosad.ru
Существует множество мнений, именно мнений, поскольку ни прямых данных (кроме данных сейсморазведки — которые по сути опять же являются косвенными поскольку требуют для расчетов дополнительных данных которые каждый исследователь определяет на основе своего видения строения Земли), ни какой либо единой теории объясняющей процессы происходящие в недрах Земли, нет. Это не претензия на новую единую теорию, а еще одна точка зрения на проблему, строения Земли как участницы глобальных космических процессов. В конце прошлого века, после бурения серии научных скважин, появились практические данные о строении Земли на глубинах до 12,6 тыс. м. Они кардинально изменили существующие представление о геологии этой области.
В рассмотрении проблемы использованы данные научных исследований и одна из работ посвященная внутреннему устройству Земли.
1. Краткое содержание работы Ю.Г. Старицкого
«ПОЧЕМУ И КАК РАСШИРЯЕТСЯ ЗЕМЛЯ»
В работе [1] изложено представление о постоянной диффузии вещества из плазменного ядра Земли к ее поверхности (без указания на причины этого явления А.Д.), сопровождаемое уменьшением плотности и увеличением объема этого вещества. Увеличение объема вызывает растрескивание мантии, декомпрессию, появление жидких магм и излияние их на поверхность. Вдоль главнейших трещин идет выдавливание твердых пород коры и мантии с образованием складчатых зон. Таким образом происходит расширение Земли за счет наращивания ее коры. Опровергается возможность конвекции в твердой мантии.
Приведено строение Земли основанное на сейсмических данных, скорость распространения продольных Vp и поперечных Vs волн (рис.1), давление и плотность вещества в зависимости от глубины (рис.2).
Рисунок 1. Скорости сейсмических волн внутри Земли (по Ф. Бёрчу)
Рисунок 2. Внутреннее строение Земли, (по Г.В. Войткевичу с изменениями и дополнениями)
Глубина, n х 10 3 км
Рисунок 3. Плотность и давление внутренних сфер Земли (по Ф.Бёрчу)
В силу ряда причин, современные методы познания земли не могут дать достаточно информации для понимания происходящих процессов в мантии и ядре планеты. Существующие теории не объясняют главного — геологических движений. Автор считает, что такой причиной резкое различие физической природы, температуры, давления, плотностей во внутренних сферах Земли и постоянная диффузия веществ от центра к периферии.
Главным источником данных для построения структуры Земли является сейсмика. На Рис.1 видно, что структура имеет три ярко выраженных области. Их называют: кора, мантия и ядро. Кора в свою очередь делится на верхнюю и нижнюю, а внутри верхней выделяется астеносфера. Все перечисленные сферы различаются скоростью сейсмических волн (рис.1). Сферы обозначены К.Булленом буквами от А до G.
Читайте также: Регулярная дань которую собирали монголо татары с русских земель
В работе приведена обширная информация от сейсморазведки до публикаций различных авторов за длительный отрезок времени и выработанные на их основе представления о строении Земли.
Существуют и другие данные о скоростях сейсмических волн в теле Земли [6]. Например:
Рисунок 4 Скорость распространения сейсмических волн и плотность вещества по Н.В. Короновскому
скорость продольной волны ,
скорость поперечной волны ,
Если Вы сравните графики плотности вещества на рис 3 и 4, то увидите разницу. Это как раз то, о чем говорилось выше. Исходные характеристики для вещества К и μ для расчета плотности вещества ρ взяты исходя из представления автора о веществе.
Общее представление о структуре Земли
Оболочка Земли выделена в несколько геосфер, К. Булленом они обозначены буквами от А до G.
A — Земная кора простирается до глубины 33 км, изучена до глубины 12,2 км при научном бурении, ниже с помощью сейсмических методов исследования.
Мантия захватывает сферы B, C, D до глубины 2900 км и делится на верхнюю и нижнюю.
B — Литосфера входит в верхнюю мантию.
C — Астеносфера входит в верхнюю мантию.
E — Внешнее ядро, F — пограничная зона, G — внутреннее ядро.
Современные исследования показывают, что внутренняя структура сфер несколько сложнее.
2. Данные о строении коры, полученные в результате научного бурения
По данным [ 3 ], в результате бурения сверхглубоких скважин получена информация, о физическом состоянии, свойствах и составе горных пород на глубинах до 12 262 м. На малой глубине — в интервале 1,6-1,8 км, вскрыты промышленные медно-никелевые руды — обнаружен новый рудный горизонт.
Как было отмечено выше, геологический прогноз разреза скважины не оправдался. Картина, которая ожидалась на протяжении первых 5 км, в скважине растянулась на 7 км, а дальше появились совсем неожиданные породы. Прогнозируемых на глубине 7 км базальтов не нашли, даже когда опустились до 12 км.
Ожидали, что граница, дающая наибольшее отражение при сейсмическом зондировании, — это тот уровень, где граниты переходят в более прочный базальтовый слой. В действительности же оказалось, что там расположены менее прочные и менее плотные трещиноватые породы — архейские гнейсы. Так, на глубинах 9-12 км встретились высокопористые трещиноватые породы, насыщенные подземными сильно минерализованными водами. Эти воды — один из источников рудообразования. Раньше считали, что такое возможно лишь на значительно меньших глубинах. Именно в этом интервале в керне обнаружили повышенное содержание золота — до 1 г на 1 т породы.
Изменились и представления о тепловом режиме земных недр, о глубинном распределении температур в районах базальтовых щитов. На глубине более 6 км получен температурный градиент 20 о С на 1 км вместо ожидавшегося (как и в верхней части) 16 о С на 1 км. Выявлено, что половина теплового потока имеет радиогенное происхождение.
На последнем этапе бурения температура в скважине подошла к 200 о С, а давление превысило 1000 атмосфер.
По данным [ 4 ], результаты бурения оказались прямо противоположными тому, что следовало из интерпретации геофизических данных. Изучение керна и материалов каротажа сверхглубоких скважин показало, что сейсмическая поверхность, которая принималась за границу между гранитным и базальтовым слоями, на самом деле фиксирует зону разуплотнения, связанную с увеличением пористости и микротрещиноватости пород в основании гранитного слоя. Формирование такой зоны вызвано тем, что при температуре 60-100 град. С химически и физически связанная вода и другие летучие соединения переходят в свободное состояние с образованием гидроразрывов и частичным растворением горных пород. Этот эффект затем был обнаружен и в других глубоких и сверхглубоких скважинах. Тем самым было доказано, что волновая картина, которая фиксируется сейсмическими методами, отражает не столько изменение состава пород с глубиной, сколько изменение его напряженного состояния и фильтрационных свойств. Стало ясно, что двухслойная модель строения континентальной земной коры по крайней мере не является универсальной.
Теплофизические измерения в глубоких и сверхглубоких скважинах позволили существенно уточнить распределение температур и величину глубинного теплового потока. Оказалось, что температуры и плотность теплового потока во многих случаях заметно превышают те оценки, которые получены экстраполяцией данных по приповерхностной зоне. Так, в Кольской скважине температура на глубине 12 км оказалась равной 212 град. С вместо предполагавшихся 120 град. С. Скорее всего, это связано с тем, что нижняя часть разреза этой скважины сложена гранитными породами, которые содержат значительно больше теплотворных радиоактивных элементов (U, Th, K), чем породы базальтового слоя в проектном разрезе. По расчетам температура в районе этой скважины на глубине 30 км равна 460 град. С, а на глубине 42 км в основании земной коры достигает 580 град. С.
Аномально высокие температуры характерны для Тырныаузской скважины, пробуренной на Северном Кавказе. Температура на глубине 4 км повышается здесь до 223град.С. Эта скважина пересекает граниты, которые были внедрены в земную кору всего 2 млн лет назад в виде магматического расплава с начальной температурой 900-700град.С. К настоящему времени граниты не успели окончательно остыть.
Геологи считают , что им хорошо известно внутреннее строение Земли, т.к. им на помощь пришел метод, который, как в медицине рентген, позволяет заглянуть в недоступные места планеты. Это — сейсмические волны (“сейсма” — сотрясение, греч.), возникающие в Земле от землетрясений, ядерных и крупных промышленных взрывов, которые пронизывают всю Землю, преломляясь и отражаясь на разных границах смены состояния вещества. Сейсмологический метод находится в ряду других геофизических методов, но для целей познания глубин Земли он один из самых важных.
Волна — это распространение некоторой деформации в упругой среде, т.е. изменение объема или формы вещества. При деформации в веществе возникает напряжение, которое стремится вернуть его к первоначальной форме или объему.
Известно, что величина напряжения ( ε ) на величину деформации (τ ) называется модулем упругости μ.
Выделяют два типа сейсмических волн: объемные и поверхностные, из названий которых видна область их распространения. Объемные волны бывают продольными и поперечными. Они были открыты в 1828 г. Пуассоном, а идентифицированы английским сейсмологом Олдгеймом в 1901 г.
Продольные волны — это волны сжатия, распространяющиеся в направлении движения волны. Они обозначаются латинской буквой “Р” (primary — первичный, англ.), т.к. у них скорость распространения выше других волн и они первыми приходят на сейсмоприемники.
где К- объемный модуль упругости или модуль всестороннего сжатия и μ — модуль сдвига, определяемый величиной напряжения, необходимого, чтобы изменить форму тела. Таким образом, волна Р изменяет форму тела.
Поперечная волна , обозначаемая буквой S (secondary — вторичный, англ.), это волна сдвига, при которой и деформации в веществе происходят поперек направления движения волны. Скорость поперечных волн:
Волна S изменяет только форму тела и она, как менее скоростная, приходит на сейсмоприемник позднее волны Р, поэтому и называется “вторичной”. Таким образом, Vp всегда больше Vs.
Поверхностные волны, как следует из названия, распространяются в поверхностном слое земной коры.
И все бы было хорошо, если бы были известны физические свойства вещества (К, μ), тогда достаточно точно можно было определить его плотность на разных глубинах использовав скорость сейсмической волны. Но вот какая проблема, свойства вещества составляющего Землю только недавно стали известны до глубины 12,6 тыс. км., да и то, как оказалось весьма существенно отличаются от предполагаемых. А что лежит глубже это только предположение построенное на известных аналогах минералов, и общей массы Земли, распределенной по ее внутреннему объему в соответствии с представлениями авторов гипотез.
3. Модель Земли
Основываясь на работе Ю.Г. Старицкого, других авторов, данных сейсморазведки и материале сайта «Вещество под давлением», попробуем рассмотреть строение Земли и процессы происходящие в ее недрах.
До глубин 12,2 км имеется информация о физико-химических характеристиках строения земной коры, полученные в результате бурения серии научных скважин.
Что касается сейсмики, то приведенные данные можно считать информативными и заслуживающими внимания до глубин около 5000 км, где начинается зона центрального, тяжелого ядра. Поскольку нельзя назвать достоверными данные (см рис.1 и 3), когда при росте давления и росте плотности вещества, не наблюдается рост скорости сейсмической волны. Хотя известно — скорость продольных волн пропорциональна плотности вещества. Пунктир графике показывающем скорость продольной Vp и поперечной Vs сейсмической волны показывает зону неопределенности. Данные могут быть недостоверны, по причине низкой точности (чувствительности) измерений. Поскольку имеют место отражения сейсмической волны от границ раздела (скачка плотности) на глубине 2,9 и 5 тыс. км., и связанное с этим ослабление регистрируемой сейсмической волны. Возможны и другие причины, о которых скажу ниже.
При этом на зависимости скорость сейсмических волн от глубины (рис.4) наблюдается снижение их скорости на начальном участке, что объясняется наличием в этих слоях жидкости — сильно минерализированных растворов [2].
Можно предположить, в верхней части коры до глубин 10-33 км, при падении температуры и давления конденсируются летучие соединения исходящие из более глубоких слоев и насыщают ее жидкими растворами и, по сравнению с образующими породами, более легкоплавкими веществами.
Теперь пора обратиться к рисунку 5, и рассмотреть вариант строения Земли, который так же как и другие имеет право на существование. Пойдем от поверхности вглубь и на основании имеющихся данных рассмотрим структуру земной коры, ее физические свойства. Рисунок, практически аналогичен приведенному в работе [1,] (рис.1) и построен по принципам изложенным в материале сайта «Вещество под давлением».
Кора (внешняя оболочка с глубинами до 33 км.) характеризуется:
- плотность вещества на поверхности равна 2,670 г/см3,
- градиентом температуры 12 град С на 1 км. заглубления на глубине 1-2 км (на глубине 12 км. градиент равен 20 град/км, а температура составляет 212 град.С [3]),
- давление на глубине 12 км приближается к 1-3 10 -3 Мбар,
- наличием сильно минерализированных вод на глубинах 8 -12 км. Их наличие дает падение скорости продольной и поперечной сейсмической волны зарегистрированное для этих глубин. Данные толкования изменения скорости сейсмических волн присутствуют в работах некоторых авторов.
Читайте также: Окружающий мир 4 класс движение земли
Можно рассуждать о переходе «химически и физически связанной воды и других летучих соединений в свободное состояние» [3] даже при температуре 200-300 град С и давлении порядка 1000 кг/см 2 . Но надо не забывать о том что, из любого теплофизического справочника известно, равновесное состояние вода — пар для температуры 370 град. С имеет место быть при давлении 214,68 кг/см2, а при более высоком давлении даже при данной температуре состояние воды — жидкость. А жидкость в этих условиях именно насыщенный раствор химических веществ. Выделение водо-паро-газовых составляющих из таких растворов возможно только при падении давления. Это может произойти только в случае падения давлениея менее 200 кг/см 2 (для данных температур). В этом случае происходит отделение водо-паро-газовых составляющих, а растворенные вещества переходят в твердую фазу с образованием «рудных тел».
Рыхлость пород на глубинах 12 км определяется прежде всего их прочностными свойствами и давлением превышающим модуль Юнга для некоторых горных пород уже на этой глубине. Именно для них, в этих условиях, начинается разрушение кристаллической структуры и как результат — трещиноватость. Эта область (рыхлых пород) достаточно широка. Можно предположить, что она простирается от 10-12 до 25-33 км и определяется прочностными свойствами образующих пород (энергиями связями между атомами образующими кристаллическую структуру атомами) и прилагаемыми к ним внешним давлением.
Дальнейшее рассмотрение можно проводить только на основе косвенных данных сейсморазведки.
А они показывают — до глубин около 1 км идет быстрый рост скорости сейсмической волны (5 10 -3 км/сек на км.). Это характеризует высокую скорость роста плотности и как результат давления на глубинах до 1000 км.
Поскольку на этой глубине есть достоверные данные (Vp, Vs) сейсморазведки, то можно предположить, что на границе области C и D складываются следующие условия:
- плотность вещества порядка 4 г/см3
- давление порядка 0,3 -0,5 Мбар
- температура порядка 1000 градусов.
Особо следует отметить переходную зону с областью глубин от 700 до 1200 км, когда температуры превышают 500 град С а давления более 0,4 Мбар снижаются прочностные свойства кристаллических структур слагающих пород, которые подвергаются растрескиванию, фрагментации и сжатию. На глубинах до 710 км при сжатии возможно образование кристаллических структур с более плотной кристаллической решеткой и большей энергией связи между ее атомами.
На глубинах 710 км еще имеются протяженные образования содержащие кристаллические структуры, что подтверждается наличием в этой области очагов землетрясений, возникающих при их разрушении. Более глубоких очагов по данным литературы не зафиксировано.
На глубинах более 1000-1200 км при давлении более 0,3-0,5 Мбар в фрагментированное состояние переходят все существующие породы с дальнейшим сжатием. К снижению прироста скорости сейсмических волн (10 -3 км/сек на 1000км) приводит снижение скорости роста плотности вещества.
На глубинах от 1000 до 2900 км под действием давления происходит дальнейшее сжатие фрагментов пород, при этом вещество полностью переходит в состояние в котором в объеме содержаться только атомы составляющих веществ (жидкий расплав). Энергия разрушенных под воздействием давления атомных связей в кристалле выделяется в виде тепла.
Состояние вещества в атомарной форме, можно назвать аморфным состоянием вещества, характеризующееся низкой теплопроводностью, высокой вязкостью и плотностью на глубине менее 2900 км порядка 5-6 г/см 3 . Давление достигает 1,1-1,5 Мбар, а температура в слое D от 1000 град. на границе со слоем C до 5-7 тысяч градусов вблизи слоя E.
Сфера E рассматривается всеми авторами как ядро, наверно в силу своих физических свойств. Именно в силу ее физических свойств эту область можно отнести и к ядру и к мантии, я бы выделил ее в промежуточную область в силу ее специфического физического состояния и состава.
В сфера E, даже на внешней его оболочке, давление настолько велико, что вещество переходит в новое состояние. Оно характеризуется настолько плотной упаковкой атомов вещества, что наиболее слабо связанные с атомом внешние электроны отрываются и становятся общими для всех атомов. Вещество становится ионизированным (состоящим из свободных электронов и ионов). Ионизации в первую очередь подвергаются атомы где энергия связи электронных оболочек с атомом минимальны. При дальнейшем росте давления атомы сближаются и теряют электроны с внутренних оболочек и так вплоть до потери всех электронов на нижней границе сферы E.
Электроны из внутренних областей сферы E диффундируют в область меньшей плотности вещества, таким образом внешняя область сферы E характеризуется избыточным содержанием электронов и повышенной проводимостью и рядом других, не обычных для вещества такой плотности физических параметров (аномально низка вязкость). В силу избыточности электронов вещество (если можно применять для таких условий понятие плазма) не является электрически нейтральным. Эта область вращается вместе с планетой во внешних магнитных полях Солнечной системы индуцирует упорядоченное движение избыточных электронов. Их упорядоченное движение участвует в создании магнитного поля Земли.
Слой E характеризуется низким градиентом температур за счет высокой теплопроводности, если вообще можно говорить о температуре вещества в таком физическом состоянии.
Дальнейшее сжатие приводит к совершенно новому состоянию вещества. При давлении превышающем 5 Мбар начинают сливаться ядра вещества освобождая энергию связи начиная с тех ядер где она наименьшая и вплоть до тех для которых давление порядка 6,7 — 8 Мбар приводит к слиянию. Можно только предположить, что давление превышает критическое давление достаточное для слияния самых крупных ядер.
Наиболее интересна переходная сфера F в которой преобладают ядра водорода (протоны) как наиболее легкие и более подвижные частицы входящие в ядро любого атома вещества. Как известно протоны имеют заряд равный электрону но с противоположным знаком. Масса протона в 1836 раз больше массы электрона. В магнитном поле Земли в зоне избыточной концентрации протоны как и электроны могут образовывать упорядоченные потоки (токи), отличающиеся от токов образованных упорядоченным движением электронов большей инерционностью. Поскольку число протонов равно в атоме числу электронов их токи соизмеримы, а энергия движения потоков протонов в 1836 раз больше, чем и объясняется их определяющее влияние на магнитное поле земли. Неустойчивость какого либо из этих двух источников магнитного поля Земли может привести к лавинообразному процессу переполюсовки магнитных полюсов Земли.
Еще одной особенностью сфер E, F, G является наличие электростатических зарядов положительного и отрицательного знака в сферах E и F. Это может приводить к диффузии ядер водорода в глубинные области сферы E и некоторого рассасывания избыточных электронов и протонов из областей максимальной концентрации.
Это же может способствовать диффузии вновь образовавшихся ядер, которые в отсутствии или при не полностью заполненной электронной оболочке являются ионами с положительным зарядом.
Говорить о плотности вещества на глубинах более 5000 км проблематично, поскольку пока невозможно говорить о состоянии вещества в этой зоне. Хотя логика подсказывает, давление в этой области продолжает расти, как и плотность вещества. Но скорость сейсмической волны согласно множеству авторов практически не растет и держится на уровне 10-11 км/сек. Это может быть объяснено новым, неизвестным нам состоянием вещества, когда одновременно с ростом его плотности, имеет место и рост его физических характеристик описывающих его упругие свойства К и μ (см. ф.2).
По прошедшей в СМИ январе — феврале 2008 г. информации говорится, что по данным американских ученых сейсмические исследования показали наличие в центе ядра Земли еще более плотного образования диаметром 600 км.
Поскольку даже приблизительно оценить физические условия в этой области мы не можем, можно только предполагать, что в этой области находятся частицы образующие ядра атомов сжатые давлением с избыточным содержанием нуклонов (нейтронов, протонов).
Ясно одно, плотность вещества в этой области чрезвычайно велика (более 13 г/см3), а температура возможно выше 10 тыс. град.
Такой представляется структура Земли с точки зрения сжимаемости вещества. При этом надо учитывать, что структура земных сфер имеет различные переходные зоны состояния вещества и более тонкие сейсмические исследования позволят их уточнить.
Центральное ядро земли способно генерировать устойчивые и слабо устойчивые ядра (ядра изотопов с малым периодом полураспада), которые группируются из частиц образующих ядро. Причем генерируются ядра наиболее массивные, имеющие наибольшую внутреннюю энергию и способные сохраниться если их импульс движения направлен от центра. Неустойчивые ядра уходя в зону более низких температур и давлений (от центра) могут распадаться в соответствии со своим временем жизни и в свою очередь генерировать более легкие ядра. Такие ядра попадая в сферу E захватывают электроны и при дальнейшей диффузии в области образуют атомы. Те из них которые имеют время жизни большее времени прохождения сферы E, попадая в сферу D, другие распадаются на пути к сферам В и С , в соответствии с временем жизни (периодом полураспада), на атомы более легких веществ.
Сфера D является зоной образования химических соединений. Из-за относительно низкой теплопроводности градиент температур в ней велик и это способствует активному движению вещества.
Общая структура земных сфер имеет ярко выраженные градиенты температур и давлений, направленные из центральных сфер к внешним. это способствует диффузии внутреннего вещества к наружным сферам. Правда учитывая температуры, размеры время диффузии весьма значительно.
Это позволяет объяснить почему на глубинах 12 тыс. м такое содержание теплотворных радиоактивных элементов (U, Th, K), что «половина теплового потока имеет радиогенное происхождение»[3] и это учитывая, что за время существования Земли, как небесного тела (по общепринятому отсчету 4570 миллионов лет) их осталось от ½ до 1/10 исходного количества. Хотя есть информация в пользу увеличения этого времени по крайней мере в 2 раза.
Все перечисленное позволяет утверждать, что химический состав земной коры предопределен процессами происходящими в ядре.
В верхней части коры, на глубинах от долей км и до 33 км, в условиях падения температуры и давления конденсируются летучие соединения исходящие из более глубоких слоев с высокими температурами и давлением, насыщая ее жидкими и легкоплавкими веществами.
Читайте также: Год дерева вода или земля
Расширяющаяся Земля
Существует множество данных подтверждающих увеличение диаметра Земли.
Данные приведенные Ю.Г. Старицким в [1], из разных источников, о расширяющейся Земле подтверждаются описанными явлениями. больше того они объясняют причину этого явления именно увеличение диаметра Земли без увеличения массы.
Я бы даже предположил незначительное снижение общей массы, за счет утечки легких компонентов атмосферы в космическое пространство.
Что касается самого факта увеличения диаметра Земли, то он подтверждается изменением числа дней в году в течении геологического времени.
Число дней в году, можно определить длительность одних суток, т.е. одного оборота Земли вокруг своей оси, а именно: для девона эта величина является функцией длины радиуса, т.к. куб длины радиуса обратно пропорционален квадрату времени обращения. Исходя из этого, радиус Земли в девоне определяется в 5993 км.
Эти цифры, конечно, не точны. В частности, не точна длительность суток, округлена длина радиуса Земли, не учтена длительность девона. Земля не является шаром и т.д. Полученный результат дает лишь приблизительную оценку величины радиуса Земли для Девона. Тем не менее, эта величина вполне правдоподобна; она показывает, что радиус ежегодно увеличивается в среднем приблизительно на 1 мм.
Необходимо сказать, что причину замедления вращения земного шара многие объясняют не увеличением ее радиуса, а влиянием приливных сил. К сожалению, ни основоположник изучения зависимости приливов от влияния Луны Д. Дарвин, ни авторы более поздних публикаций по этому вопросу не дают численных значений такой зависимости. Не опровергая их выводов, отметим лишь, что для существенного влияния приливов на вращение Земли необходимо глубокое море (океан), а в течение палеозоя и, вероятно, триаса моря были сравнительно мелкими.
Количество дней в году в течении геологического периода (по В.Е.Попову, В.А. Стромову)
| Кол-во дней в году | 365 | 375 | 371 | 380 | 400 | 419 | 412 | 424 |
| млн. лет назад | 3,4-23,7 | 74,5-144 | 225-245 | 296-360 | 367-408 | 414-438 | 448-505 | 523-570 |
| Период | Неогеновый | Меловой | Триасовый | Карбон | Девонский | Силурийский | Ордовикский | Кембрийский |
Таблица 1 взята из [1] дополнена названиями геологических периодов.
На рисунке 6 графически показаны данные приведенные в таблице1.
Красная кривая — временные отметки нормализованы, поскольку физические процессы имеют цикличность. Применено сглаживание.
Темно коричневая штрих — пунктирная линия — построена по данным таблицы 1, где величины временных интервалов таб.1 нормализованы.
Реальные значения могут находиться в интервале между кривыми. На мой взгляд ближе к красной кривой.
На рисунке 6 просматривается явная цикличность процесса и видно что Земля находится в первой половине следующего цикла. Из него так же можно предположить возможность предыдущего цикла и существование Земли как сформировавшегося или заканчивающего формирование небесного тела по крайней мере еще один цикл до Девона. Отсюда следует минимальный возраст Земли как сформировавшейся планеты больше 800 миллионов лет. А учитывая, что формирование вещества планеты идет из ядра (в том числе и изотопов) они не могут служить временными маркерами.
У цикла можно выделить две части.
- переходный период (ПП) — характеризующийся изменением продолжительности суток с переменным знаком. Таких периодов два. ПП предыдущего цикла 425 (+/_75) млн. лет назад. ПП текущего цикла 125 (+/_75) млн. лет назад.
- Стабильный период в промежутке между переходными продолжительностью порядка 170 млн. лет (от точки 200 до точки 370 млн. лет).
Другое подтверждение увеличения диаметра Земли это смещение материков.
Увеличение радиуса Земли вызывает увеличение площади ее поверхности. Один миллиметр приращения радиуса дает увеличение длины экватора или меридиана на 6,3 мм в год, или на 63 км за 1 млн. лет. Эти цифры соизмеримы со значениями движения материков по К. Ле Пишону, составляющие от 0,95 до 6,0 см в год.
| Тихий океан | Атлантический океан | Индийский океан | |||
| Широта | Скорость, см/год | Широта | Скорость, см/год | Широта | Скорость, см/год |
| 17°ю.ш. | 6.0 | 25°ю.ш. | 2.25 | 5°с.ш. | 1.5 |
| 45° ю.ш. | 5,1 | 30°ю.ш. | 2.0 | 30°ю.ш. | 2.4 |
| 60°ю.ш. | 4,0 | 50°ю.ш. | 1.53 | 43°ю.ш. | 3.0 |
| 65° ю.ш. | 2,8 | ||||
Причины расширения Земли
Исходя из строения Земли и описанной выше природы ее ядра ясно, что из ее ядра, как зоны более высоких давлений и температур, в направлении меньших давлений и температур постоянно диффундируют устойчивые и неустойчивые ядра атомов (в виде ионов) тяжелых элементов. На всем пути своего движения неустойчивые ядра, атомы распадаются давая в результате жизни более легким атомам. В слое E они захватывают электроны становясь полноценными ионами и диффундируют в земную кору. На границе сфер C и D они образовывают химические соединения, которые в жидком виде (в виде расплава образующегося при декомпрессии вещества мантии по разрывам коры, насыщенной минерализированной смеси или в газообразном состоянии сквозь ферментированные породы выносятся в Астеносферу. Последняя по причине своих физических условий (низкого давления) является идеальным местом для выпадения из рассолов твердых веществ и конденсации в области низких (ниже температуры кипения) температур летучих фракций вещества.
По причине перераспределения массы Земли между ядром и остальными сферами, где плотность вещества ниже чем в ядре, в мантии присутствует избыточное давление. Оно приводит к постоянным микроразрывам земной коры и просачиванию жидкого вещества мантии в земную кору. Иногда эти явления приобретают глобальный характер, что приводит к разрыву плит, подъему и опусканию фрагментов земной коры.
Сфера D по сути является зоной синтеза химических соединений.
На глубинах 300 — 700 км состояние вещества (температура и давление) способствуют его кристаллизации и образованию протяженных структур с высокими прочностными характеристиками. Косвенным подтверждением этому служит отсутствие землетрясений на глубинах более 700 км.
« Е.М. Рудич на основании изучения более 500 скважин в акватории Мирового океана показал, что в течение последних 160 млн. лет объем воды в нем увеличился на 580-10 6 км 3 , что составляет 42,3 % современного объема » Это результат образования и истечения в той или иной форме из ядра.
Можно согласиться с Ю.Г. Старицким —
« Значительную долю в увеличении объема Земли вносят обширные поднятия земной поверхности за счет давления на нее снизу расширяющейся мантии. Так, большая часть Русской платформы представляет собой область поднятий. Район г.Москвы поднят над уровнем моря почти на 300 м, Белоруссии — на 345 м, Ростова-на-Дону — на 367 м. Еще более впечатляющим является плато Путорана на Северо Западе Сибирской платформы, где горизонтально лежащие основные пласты подняты до отметки 1700 м. Прекрасным образцом таких поднятий является также обширное плато Колорадо в С. Америке в штатах Колорадо и Юта, поднятое на высоту до 4000 м. и сложенное горизонтально залегающими пластами пород. (Это прекрасно видно в знаменитом каньоне р. Колорадо.) »
Расширение Земли понятно из следующего. Плотное ядро передавая часть своей массы в мантию и земную кору, где в условиях более низкого давления поступающее вещество увеличивается в объеме. Увеличению объема способствует и образование химических соединений, которые часто тоже имеют плотность ниже чем исходные вещества.
Поступающие из области ядра вещества создают в мантии избыточное давление, при превышении некоторого порога давления происходит растрескивание коры. Это растрескивание может быть как катастрофическим — землетрясение, так и постоянным — сейсмический шум. Можно сказать, именно сейсмический шум характеризует те постоянные микрорасширения происходящие на границе до глубин 700 км..
4. Заключение
Все данные говорят об увеличении диаметра Земли, а из рис.6 видена цикличность этого процесса. Поскольку продолжительность даже «быстрых» участков циклов составляет десятки миллионов лет можно предположить, что эта цикличность определяется именно процессами происходящими в ядре и мантии.
Строение Земли еще недостаточно изучено главным образом потому, что недостаточно изучено поведение вещества в условиях сверхвысоких давлений и температур. Это не смотря на то, что уже существуют искусственные алмазы, изучается металлический водород и кислород. Пока это только подтверждает глубину проблемы.
Отсутствие информации позволяет говорить некоторым авторам о железном (есть и другие варианты) ядре. Хотя в условиях давлений 10 Мбар и более, и температур в десятки тысяч градусов С, вообще говорить о веществе можно с большими оговорками.
Наличие в Земных сферах очень разнородных по характеристикам (например — плотностям) областей позволяет говорить о реальной плотности и массе центральной части ядра Земли (диаметром порядка 600км) сильно отличающихся в большую сторону от существующих представлений. Сейчас эту величину трудно оценить, но возможно значение плотностей, от предполагаемых некоторыми авторами, 10-13 г/см 3 до значений в районе 20-30 г/см 3 и более. Вещество с такими характеристиками приобретает новые физические свойства. Можно даже предположить захват им нейтрино со всеми вытекающими из этого последствиями.
Во внутренних сферах Земли существует циркуляция вещества определяемая тепловыми потоками (градиентами температур) и давлений. Она проявляется в виде встречных потоков от коры к ядру и от ядра к коре Земли.
Диффузия вещества из ядра в мантию есть один из образующих сырьевые ресурсы Земли процессов.
Диффузия вещества из ядра в мантию может создать впечатление, что эти ресурсы бесконечны поскольку вещество генерируется ядром, и население Земли на многие тысячелетия обеспечено ими. Но не следует забывать, мы сейчас используем те ресурсы которые были накоплены за многие миллионы лет.
К таким ресурсам можно отнести большинство из используемых сейчас. От сырья для атомной промышленности, металлургии до углеводородов.
Но не обольщайтесь, сотни миллионов лет, множество катаклизмов, потребовались, чтобы создать запасы ресурсов в земной коре на существующем уровне.
Для полного понимания процессов необходимы более тонкие исследования состояния вещества в мантии и центральной части ядра. Тонкие — это такие, которые хотя бы дадут возможность выявлять очаговые неоднородности плотности вещества менее 10% в размерах 1-10 км.
При снижении массы центрального ядра возможно снижение объемов поступления вещества из ядра и скорости расширения Земли.
Данный материал, не претендует на истину в последней инстанции, это только попытка взглянуть на проблему под другим углом и показать насколько она сложна.
- Свежие записи
- Особенности стропильной системы крыши
- Гидроизоляция фундамента частного дома — нужна ли она вообще?
- Паркет – лучший вариант напольного покрытия для жилого помещения
- Как сэкономить на строительстве загородного дома
- Утепление дома пенополиуретаном и эковатой менее практично, чем полистиролом и минватой