Устройството на земята - Геология на Земята

Структурата на земята

Кой от младите читатели не познава увлекателния роман на Жул Верн „Пътуване до центъра на Земята“? В него Жул Берн, използвайки като художествено средство невероятния начин на проникване на героите от романа през кратера на един от вулканите в Исландия в дълбините на Земята, разказва за структурата на горната обвивка на Земята или земната кора и за историята на развитието на живота върху нея, както учените си го представят през втората половина на 19 век.

Точно описвайки Исландия и островите на Средиземно море, писателят въвежда своите герои в непознатите дълбини на земното кълбо. Не Жул Верн разказва в романа си за вулкани. Вулканичните изригвания винаги са ужасявали хората. Опитвайки се да обяснят произхода на вулканите, хората отдавна са съставили много легенди за тях. Древните гърци са смятали вулканите за владение на Хефест (бога на огъня).

Философът Емпедокъл (ок. 490-430 г. пр. н. е.) е първият, който говори за разтопеното състояние на земните недра, като се позовава на активни вулкани и горещи извори. Той изучава планината Етна, по чиито склонове понякога текат мощни потоци лава, наводнявайки околностите на десетки километри. Емпедокъл, обзет от желанието да проучи структурата на вулкана и причината за изригванията, предприел смело пътуване в дълбините на кратера Етна и умрял в кратера на вулкана.

През Средновековието не е било открито нищо ново за вулканите. Преобладаващите теории се основават главно на мненията на древногръцките философи.

По-късно немският естествоизпитател Атанасий Кирхер (1601-1680), който изучава вулканичните изригвания и земетресенията, в своя основен труд „Подземният свят“ дава не само описание на недрата на Земята, но дори въображаема част от земното кълбо.

Според възгледите на Кирхер вътрешността на Земята е твърдо тяло с огромни празнини, коитоса свързани помежду си и с повърхността чрез множество канали. Централното ядро е заето от огън, а празнините, разположени по-близо до повърхността, са запълнени отчасти с огън, отчасти с вода и отчасти с въздух.

Други възгледи за структурата на Земята са изразени от английския учен Джон Удуърт (1665-1722). Според него вътрешността на Земята е пълна изцяло с вода. Водата образува огромна водна сфера, свързана с канали с моретата и океаните. Той също цитира в своите трудове хипотетична (предполагаема) част от земното кълбо. Схемите на Кирхер и Удуърт бяха широко известни дълго време. Те са цитирани дори в учебници от втората половина на 19 век.

Главно в науката на XIX век. доминира идеята за огнено-течно ядро на земята. Тази идея логично обяснява повишаването на температурата, наблюдавано при спускане в дълбините на Земята, както и вулканичните явления. В допълнение, тя се основава на космогоничните хипотези на Кант и Лаплас.

Немският философ Имануел Кант и френският астроном и математик Пиер Симон Лаплас предлагат хипотези, в които се опитват да дадат картина на произхода на Слънчевата система. Кант основава своята хипотеза върху движеща се мъглявина, състояща се от отделни частици. Сблъсъците на частици помежду си доведоха с течение на времето до подреждането на това движение и Слънцето и планетите възникнаха от въртящата се мъглявина. Лаплас смята, че поради приближаването на частиците и тяхното компресиране, мъглявината постепенно се нагрява. Въртящата се гореща газова мъглявина, която беше по-голяма от планетарната система, получи сплескана форма. След това, с увеличаване на скоростта на въртене, слоевете материя постепенно се отделят от мъглявината, образувайки поредица от пръстени. Всеки от тях, под въздействието на силите на взаимно привличане на съставящите го частиципостепенно се превърна в сферично тяло - планета, която първоначално беше гореща, но след това, в резултат на топлинно излъчване, започна да се охлажда.

Централната част на мъглявината, след компресиране и отделяне на редица пръстени от нея, се превърна в Слънце.

Космогонията е наука за произхода и развитието на небесните тела и техните системи.

Така, според хипотезите на Кант и Лаплас, земното ядро трябва да бъде огнена течност; земната кора е продукт на охлаждането на неогнено-течна топка. Но още по времето на Жул Верн се чуват, макар и много плахо, гласове на несъгласни с хипотезата на Кант-Лаплас. Явно Жул Верн също е принадлежал към това малцинство, влагайки мислите си в устата на професор Лиденброк, който се съмнява в съществуването на огнено-течно земно ядро и се опитва да обясни вътрешната топлина на земната кора с окислителни процеси.

Тази гледна точка вече триумфира в науката.

Интересна хипотеза за образуването на планетите е разработена от екип съветски учени, ръководен от академик О. Ю. Шмид.

Според тази хипотеза планетите са се образували от облаци космически прах, които някога са обикаляли около Слънцето. О. Ю. Шмид показа, че такъв облак от прах, поради сблъсъка на неговите частици една с друга, трябва много бързо да се превърне в сплескан слой, който заобикаля Слънцето. Под въздействието на силите на взаимно привличане този слой се превърна в система от отделни съсиреци, а по-късно от тези съсиреци се образуваха планети. Според предположението на О. Ю. Шмид, Земята винаги е била студена, така че земната кора изобщо не е шлака, която се е образувала на повърхността на горещата течна маса на земното кълбо. Кората - неразделна част от нашата планета - първоначално беше студена и едва по-късно започна да се нагрява в резултат на различни - главнорадиоактивни - процеси.

Но някои хипотези сега помагат на учените да проникнат във вътрешните части на земното кълбо. За това има много прецизни геофизични методи. Те се основават на изследването на колебанията в земната кора, причинени от земетресения или изкуствени експлозии.

Ние получаваме основния материал за изучаване на структурата на земното кълбо от записи на колебанията на земната повърхност от чувствителни инструменти - сеизмографи - инсталирани в много сеизмични станции по света. Самите вибрации са причинени от земетресения. Източниците на земетресения се намират в дълбините на земното кълбо, понякога на няколкостотин километра от повърхността.

Всяко земетресение предизвиква колебателно движение, което се разпространява от източника във всички посоки.

Ако Земята беше хомогенно тяло, тогава сеизмичните вълни биха се разпространявали по права линия и с еднаква скорост. Изследването на скоростите на разпространение на различни вълни в Земята показа, че земното кълбо се състои от множество концентрични зони с различна плътност. Очертани са няколко зони с различни еластични свойства.

Първата зона се простира от повърхността на Земята до средна дълбочина около 50-60 km. Това е така наречената земна кора, състояща се главно от кристални скали. Под него лежи по-плътно, но в същото време вероятно по-пластично подкорково вещество. До дълбочина от около 1200 km се наблюдава равномерно нарастване на скоростите на сеизмичните вълни, което трябва да се обясни с повишаване на налягането в хомогенния състав на този слой. По-дълбоко нарастването на скоростта на сеизмичните вълни се забавя.

Накрая настъпва много рязък скок на дълбочина 2900 км. Частта от земното кълбо, затворена между подметката на земната кора, на дълбочина 50-60 km и дълбочина 2900 km, се нарича обвивка на Земята. Частна Земята, затворен вътре в интерфейса на дълбочина повече от 2900 km, се нарича ядрото на Земята, а самият интерфейс е границата на ядрото.

Ядрото на Земята се състои от вещество, което не се съпротивлява на промяната на формата, тоест то се държи по отношение на сеизмичните вибрации като течно или газообразно тяло. Горната обвивка на земното кълбо, която съставлява континентите и дъното на океаните, е разделена на два основни слоя. Най-горният слой на континенталната част на земната кора се състои главно от напластяване на така наречените седиментни скали и скали, близки по състав до гранитите. Следователно горният слой обикновено се нарича гранит, въпреки че трябва да се помни, че това име е условно, тъй като този слой съдържа и други скали и неговият състав може да варира до известна степен в различните региони.

Отдолу се намира така наречениятбазалтов слой. Основна роля в структурата му играят скали, богати на магнезий и желязо и бедни на силициева киселина. Това са разновидности на базалтовата група скали и затова долният слой на кората се нарича базалт. Този слой е отделен от подлежащите скали на подкоровия слой от повърхност, ясно различима от сеизмичните вълни. Тази повърхност се нарича повърхност на С. Мохоровичич, на името на югославския учен, който я открива. Скоростта на сеизмичните вълни по-дълбоко от интерфейса веднага се увеличава до 8 км/сек, което се дължи на увеличаване на плътността на земната материя.

Веществото на земната кора е в кристално състояние. Дебелината на земната кора е по-малка под океаните, отколкото под континентите. Възможно е под дъното на Тихия океан изобщо да няма гранитен слой.

Най-горната част на земната кора е съставена до голяма степен от слоести седиментни скали, образувани от отлагането на различни малки частици в моретата и океаните. Погребаха останкитеживотински организми и растения, които някога са обитавали земното кълбо. Общата дебелина на седиментните скали не надвишава 12–15 km. Техните последователни слоеве и съдържащите се в тях вкаменелости от животни и растения позволяват на геолозите да реконструират историята на развитието на живота на Земята. Горната част на вътрешната обвивка на Земята е най-близка по химичен състав до състава на скали, известни като перидотити и пироксенити, които са много богати на магнезий и желязо и се отличават със значително специфично тегло.

Имаме някои доказателства за реалното съществуване на тази подкорова мембрана. В масите от скали, които запълват вертикалните диамантени „тръби“ на Кимбърли в Южна Африка, както и в диамантените мини на Якутия, се намират в изобилие парчета оливин и перидотитни скали, донесени от големи дълбочини. Това са най-дълбоките познати ни материали, които изграждат Земята.

Но чрез методите на съвременната геофизика ние познаваме Земята още по-навътре, макар и само във връзка с разпределението на материала по отношение на плътност и еластичност, без да знаем още нейните други свойства.

По този начин можем да предположим, че вътрешната обвивка на Земята се простира на дълбочина от 2900 км. Субстанцията на черупката е твърда, но с пластичност, в долната част е лишена от кристална структура (аморфна). Съставът му, очевидно, е същият като в най-горната (подкоркова) част. Промяната в плътността на земната обвивка е свързана не толкова с промяна в състава, колкото с налягането, което тук достига огромна стойност.

Така например налягането на единица площ е:

дълбочинно налягане в километри в атмосфери 5 1 350 50 13 500 800 296 100 3200 2 677 900

Ядрото на Земята има свойствата на течност. Радиусът на земното ядро е 3471 км. По време на прехода от черупката към ядрото, физическотосвойства на дадено вещество. Причината за тази промяна вероятно е промяната в структурата на атома под въздействието на високи налягания, достигащи около 3 милиона атмосфери. Температурата във вътрешността на земята се повишава до 2000-3000°, като най-бързо се повишава температурата в земната кора, след това много по-бавно и остава постоянна на голяма дълбочина.

Плътността на Земята нараства от 2,6 на повърхността до 6,8 на ръба на ядрото на Земята. В самото ядро плътността нараства до 10, а в централните му части надхвърля 12.

Доскоро се смяташе, че ядрото има железен състав, подобен на железните метеорити, а обвивката има силикатен състав, съответстващ на каменистите метеорити. Според съвременните научни възгледи обаче причината за резкия скок на плътността и рязкото намаляване на твърдостта в близост до границата на земното ядро не е в разделянето на материята по химичен състав, а във физикохимичния процес - частичното разрушаване на електронната обвивка на атомите при критично налягане, достигащо 1,4 милиона атмосфери.

Отделянето на електрони от ядрата под въздействието на огромно налягане и висока температура улеснява рязкото уплътняване на веществото и му придава нови свойства, подобни по твърдост на свойствата на течните тела (способността на течните тела, запазвайки обема си, да променят първоначалната си форма), а по отношение на електропроводимостта - със свойствата на металите. Следователно такава трансформация се нарича преход на вещество в метална фаза.

По този начин условията за съществуване на материята в големите земни дълбини са рязко различни от условията на земната повърхност и тези, които досега можем да създадем чрез опит. Всяка година данните от геофизиката и астрофизиката ни позволяват все по-добре да разбираме структурата на земното кълбо, а това от своя страна ни дава възможност да видим връзката между редица важнигеоложки процеси, протичащи в земната кора, с процеси, протичащи в дълбините на земното кълбо.

Ето защо е толкова важно и толкова интересно да се изучава структурата на нашата планета.