Средняя плотность Земли и ее определение. Плотностью, или удельным весом, называют отношение веса тела к весу воды, взятой в том же объеме. Определить плотность однородного тела, даже очень большого по своим размерам, дело нетрудное. Для этого нужно взять небольшую часть этого тела и по закону Архимеда найти плотность.
Иное дело земной шар, который, помимо своих огромных размеров, состоит из самых различных веществ. Брать «пробы» из различных частей земного шара мы не можем, потому что внутренняя часть Земли для нас пока недоступна. Остается единственный путь: определить массу Земли, а потом по объему Земли вычислить ее среднюю плотность (плотность, как известно, равна массе, деленной на объем).
Объем земного шара нам уже известен. Что же касается массы, то она определяется на основании одного из законов Ньютона, который коротко можно формулировать так: взаимное притяжение двух тел прямо пропорционально массе и обратно пропорционально квадрату расстояния их центров притяжения (центров тяжести).
Впервые средняя плотность Земли была определена в 1774 г. Выбрав отдельно стоящую гору, определили ее объем и, зная плотность пород, слагающих гору, вычислили массу этой горы. Отвес, помещенный близ горы под влиянием массы горы, отклонился в сторону горы на очень небольшой угол. Измерив величину этого угла, на основании закона Ньютона вычислили массу земного шара. Согласно этим вычислениям средняя плотность Земли получилась равной 4,7. Первые вычисления средней плотности Земли не могли быть точными уж только потому, что гора не имеет правильной геометрической формы, а потому определить ее объем можно было только приблизительно. Некоторая ошибка также могла произойти и при определении плотности пород. Более поздние измерения дали несколько большую величину — 5,5. Последняя величина, полученная в результате более чем двух тысяч измерений, в настоящее время является наиболее точной.
Геосферы. Если бы мы имели возможность посмотреть на земной шар откуда-нибудь издали, с расстояния, равного хотя бы среднему расстоянию между Землей и Луной (380 тыс. /еж), то увидели бы приблизительно следующую картину. На темном усеянном звездами небе сияло бы очень большое светило, поперечник которого раза в четыре превосходил бы поперечник Луны. Знакомые очертания материков и океанов напомнили бы нам большой, частично затуманенный глобус. Края этого светила не были бы так резко очерчены, как края Луны. Нежная тонкая оболочка, более плотная у поверхности светила и сходящая на нет у периферии, со всех сторон равномерным слоем окружала бы сияющий диск. Эта оболочка — воздушная оболочка Земли — атмосфера.
Рассматривая поверхность Земли издали, мы заметили бы, что океаны и моря составляют вместе один непрерывный океан, на фоне которого выступают крупные участки суши — материки, и мелкие — острова. Этот непрерывный океан, имеющий среднюю глубину около 3,8 км, носит название Мирового океана.
Представим себе, что мы приближаемся к Земле и начинаем ясно различать материки и острова со всеми их реками, речками, озерами и болотами. Эта сеть рек, речек, озер и болот, гораздо более густая, чем мы привыкли видеть на наших картах, прихотливым кружевом покрывает сушу. В одних местах сеть очень густа, в других, наоборот, редка, в третьих она переходит в пятна снегов и льдов на горах и сплошные снежные и ледяные поля у полюсов. Если бы мы имели возможность заглянуть в толщу пород, слагающих поверхность суши, то увидели бы там еще более густую сеть потоков подземных вод. Все эти воды Земли, состоящие из океанов, морей, рек, озер, болот и подземных вод, составляют вторую (считая сверху) оболочку Земли, известную под общим названием гидросферы.
Основой для гидросферы служит твердая поверхность земного шара. Более 2/3 этой твердой поверхности земного шара скрыто от нас Мировым океаном. Вполне понятно, что об этой части твердой земной поверхности мы знаем пока еще очень немного. Гораздо больше нам известно строение твердой поверхности Земли в областях суши. Глубокие долины рек и горных потоков, области древних разрушенных гор, шахты и тоннели вскрывают перед нами толщи Земли на значительные глубины. Изучение пород, слагающих земную поверхность, способов их залегания, действий внутренних сил Земли, проявляющихся в процессах горообразования, вулканизма, землетрясений, и многое другое позволило составить следующее представление о внутреннем строении Земли. С поверхности Земля одета твердой оболочкой, состоящей из различных горных пород и носящей общее название литосферы. Литосфера тверда, по-видимому, только с поверхности, а дальше на глубине от 40 до 100 км она под влиянием высокой температуры и огромного давления приобретает пластический характер. Плотность пород, слагающих литосферу, от 2,6 до 3.
Все самые разнообразные растения и организмы, обитающие на Земле, объединяются в одно целое под названием биосферы.
Однако понятие биосферы нельзя уподоблять понятиям литосферы, гидросферы и атмосферы. Живые организмы обитают во всех упомянутых нами геосферах. В литосфере мы встречаем их, начиная от поверхности и вплоть до глубины по крайней мере 3 км (бактерии). В толще гидросферы они обнаруживаются везде, не говоря уже о поверхности, где они сосредоточены в наибольшем количестве. В атмосфере они так же обнаруживаются до высоты свыше 10 км. Таким образом, понятие биосферы иного порядка, нежели понятие литосферы, гидросферы и атмосферы.
Земное ядро. Большая величина средней плотности Земли (5,5) по сравнению с плотностью поверхностных слоев дает основание полагать, что более тяжелые вещества находятся в центральных частях земного шара. Согласно вычислениям их плотность доходит до 9—10 и даже 11. Подобную высокую плотность могут иметь лишь металлы, что и дает основание говорить о наличии внутри Земли тяжелого металлического ядра. Судя по тому, что наиболее распространенным металлом на Земле является железо, естественно предположить, что в металлическом ядре должно преобладать железо. Это тем более вероятно, что земной шар, как мы узнаем впоследствии, представляет собой огромный магнит. Из металлов же, способных обладать значительной магнитной силой, пока известны только два: железо и никель.
К той же мысли приводят нас и некоторые другие соображения. Известно, например, что из мирового пространства на Землю ежедневно выпадает около тонны метеоритов. По своему составу различают метеориты железные и каменные. Первые содержат в себе главным образом никелистое
железо. Каменные метеориты по составу сходны с вулканическими породами Земли. Изучение строения метеоритов заставляет предполагать, что они образовались в результате каких-то космических катастроф и являются обломками погибших небесных тел.
Сопоставляя среднюю плотность тяжелого земного ядра (9—10 и даже 11) с плотностями железа (7) и никеля (8,8), мы должны допустить здесь еще присутствие более тяжелых металлов: платины (21,5), золота (19,3), серебра (10,5) и др.
Что касается размеров металлического земного ядра, то оно на основании изучения распространения сейсмических волн должно иметь радиус около 3 тыс. км, т. е. приблизительно половину радиуса земного шара.
Промежуточный пояс. Пространство, заключенное между земной корой и металлическим ядром Земли, носит название промежуточного пояса. Полагают, что промежуточный пояс состоит преимущественно из кислородных и сернистых соединений металлов. Возможно так же, что здесь находятся и тяжелые магматические породы. Таким образом, для земного шара характерно расположение оболочек по их удельному весу (плотности), начиная с самых тяжелых в центре и кончая самыми легкими у периферии (рис. 20).
Изучение жизни доступных нам оболочек показывает, что каждая из оболочек живет своей собственной жизнью и в то же время жизнь каждой оболочки теснейшим образом увязана с жизнью соседних оболочек. Так, например, верхняя оболочка Земли пронизана жилами, состоящими из пород глубже расположенной оболочки. На месте соприкосновения жильных пород и пронизанных ими толщ возникают сложные взаимодействия, одним из следствий которых является образование рудных месторождений (рис. 21). Еще более тесная взаимосвязь существует между гидросферой, литосферой, атмосферой и биосферой. Изучение жизни этих наружных оболочек в их взаимосвязи и составляет одну из главнейших задач общего землеведения.
Сейсмический метод изучения внутреннего строения Земли. Строение Земли и отдельных ее участков не остается постоянным. В Земле непрерывно происходят перемещения отдельных масс. Иногда эти перемещения бывают постепенными, в других случаях они происходят очень быстро, вызывая сильные сотрясения земной коры, которые называют землетрясениями.
При землетрясениях вся земная кора испытывает небольшие перемещения. Вблизи той точки, где произошло землетрясение, смещения будут наиболее сильными; по мере удаления от центра землетрясения движения земной коры будут становиться все более слабыми. Однако современные приборы могут зарегистрировать даже слабое землетрясение, происшедшее на противоположной стороне земного шара.
Возникающие при землетрясениях (а иногда и при очень крупных искусственных взрывах) движения земной коры и внутренних оболочек помогают выяснить внутреннее строение Земли.
В породах при землетрясениях возникают упругие колебания или волны трех типов: 1) Продольные колебания, распространяющиеся в любой
среде и представляющие собой волны сжатия и разрежения. При этих колебаниях направление движения частиц пород совпадает с направлением движения волны. 2) Поперечные колебания, распространяющиеся только в твердой среде. При этих колебаниях частицы пород движутся перпендикулярно к направлению распространения волны. Поперечные колебания распространяются с меньшей скоростью, чем продольные. 3) Поверхностные колебания, возникающие на границе раздела двух сред и распространяющиеся вдоль этой границы. Эти волны обычно регистрируются самыми последними.
‘Колебания земной коры регистрируются специальными приборами — сейсмографами. В схеме сейсмограф представляет собой легко вращающуюся ось, на которой закреплен груз и пишущее приспособление. При малейших колебаниях почвы груз приходит в движение, которое регистрируется пишущим аппаратом на бумажной ленте в виде сложной кривой. По виду этой кривой можно судить о силе и направлении колебаний земной коры. В зависимости от того, какие волны должен регистрировать тот или иной сейсмограф, груз прибора устанавливается на горизонтальной или на вертикальной оси. Чтобы изолировать прибор от посторонних колебаний почвы (движение транспорта, строительные работы и т. п.), сейсмографы устанавливаются в глубоких подвалах.
Если бы земной шар был совершенно однороден, то сейсмические волны распространялись бы строго прямолинейно и время движения волны от центра землетрясения до точки регистрации зависело бы только от расстояния между этими пунктами. Однако многочисленные наблюдения показали, что продольные и поперечные волны часто достигают удаленных пунктов быстрее, чем более близких. Следовательно, эти волны, проходящие через глубокие оболочки Земли, распространяются скорее. Таким образом, скорость прохождения волн зависит от плотности вещества и увеличивается в более глубоких частях Земли. Это вызывает искривление путей продольных и поперечных волн (лучей), причем лучи выпуклостью своей траектории направлены вниз, к центру Земли. Поэтому луч, ушедший в глубину, возвращается на поверхность, где он частично отражается и вновь уходит в глубь Земли, откуда опять может вернуться к земной поверхности, еще раз отразиться и т. д. Для каждой из таких волн можно составить годограф, то есть график зависимости между временем прохождения волны от центра землетрясения до точки регистрации и расстоянием от центра до этой точки.
Более сложная зависимость получается в том случае, когда скорость распространения волн меняется внутри Земли скачкообразно. Предположим, что внутри Земли наблюдается два слоя. В верхнем из них скорость постепенно нарастает с глубиной, на границе двух слоев скачкообразно изменяется, а в нижнем остается постоянной (рис. 22). Из центра землетрясения 0 выходит волна, которую условно можно разбить на ряд лучей (1—9). Луч 1 распространяется только в верхнем слое, луч 2 касателен к границе раздела двух слоев. Луч 3 испытывает сильное преломление и выходит на поверхность в точке 3, сильно удаленной от
точек выхода лучей 1 и 2. Идущие более круто лучи 5 и 6 испытывают меньшее преломление, а луч 7, падающий на границу раздела перпендикулярно, пройдет сквозь Землю прямолинейно. Лучи 8 и 9 не достигнут земной поверхности, и между точками 2 и 4 сейсмографы не будут регистрировать никаких колебаний — здесь наблюдается так называемая сейсмическая «тень». Поэтому годограф волны разобьется на две части и примет вид, изображенный в правой части рисунка 22.
Приведенный пример показывает, что по виду годографов можно определить, как меняются скорости волн внутри Земли. На основе обобщения громадного материала всех сейсмических станций мира было установлено, что скорости прохождения волн меняются внутри Земли несколько раз. Это послужило основой для разделения земного шара на указанные выше три оболочки: земную кору, промежуточный слой и земное ядро.
Сейсмические данные позволили также выявить неоднородность каждой из этих оболочек. Земная кора делится на два слоя. В верхнем из них преобладают кислые породы, поэтому его часто называют гранитным слоем, или «сиаль» (по обозначениям основных элементов, входящих в состав кислых пород: кремния — Si и алюминия — Аl). Нижний слой состоит преимущественно из основных пород—базальтовая оболочка, или «сима» (по обозначениям элементов кремния — Si и магния — Mg).
В промежуточном слое также выделяются два пояса: перидотитовый (80—1200 км), состоящий в основном из тяжелых ультраосновных пород, и рудный (1200—2900 км), который слагается, по-видимому, сернистыми а окисными соединениями тяжелых металлов.
В ядре Земли можно выделить еще наиболее плотное внутреннее или малое ядро с радиусом около 1300 км.
Все оболочки Земли, кроме внешнего гранитного слоя, находятся, по-видимому, в пластическом, полужидком состоянии. Плотность их возрастает от 2,5—2,7 в гранитном слое, до 5—6 в рудном поясе и 10—12 во внутреннем ядре Земли.
Последние исследования показывают, что отдельные оболочки Земли имеют неправильные волнистые границы. Мощность каждого из слоев и поясов меняется, а на некоторых участках отдельные слои отсутствуют. Однако эти вопросы изучены еще очень плохо.
Давление внутри Земли. Горные породы имеют значительный вес и, естественно, оказывают давление на нижележащие слои. Согласно теоретическим расчетам на глубине 1 км давление может быть около 1000 атм, на глубине 10 км — 2500 атм, 100 км — 20 тыс. атм. В физических лабораториях производились опыты с давлением в несколько десятков тысяч атмосфер. При подобных высоких давлениях многие твердые кристаллические тела приобретали пластичность, т. е. способность изгибаться и даже «течь». Так, например, разрозненные кусочки мрамора под давлением нескольких тысяч атмосфер сливались в один сплошной кусок и принимали форму того сосуда, в котором они находились. Подобные опыты, производимые в лабораториях, дают некоторое представление о состоянии горных пород, находящихся в нижних слоях земной коры под большем давлением.
Изостазия земной коры. Еще в начале XIX в. при измерениях силы тяжести было замечено, что в горах обычно отмечаются отрицательные аномалии, а в пониженных участках и областях океанических впадин — положительные. Первоначально это пытались объяснить ошибками при расчетах. Однако специальные работы по приведению силы тяжести к уровню моря показали, что причина этих аномалий заключается в особенностях строения земной коры.
В 1855 г. английский астроном Д. Эри высказал для объяснения этого явления гипотезу, получившую впоследствии название гипотезы изостазии. Эри предполагал, что верхняя часть земной коры (сиаль) как бы «плавает» по нижней (симе). Поэтому согласно закону Архимеда горным районам соответствуют мощные «основания» «сиаля», погруженные в «симу». Наличие крупных массивов легких сиалистических пород вызывает отрицательную аномалию силы тяжести. Наоборот, в пониженных участках и океанических впадинах мощность «сиаля» очень невелика и близ поверхности залегают тяжелые симатические массы. Эти массы вызывают положительные аномалии.
Несколько позже англичанин Ф. Пратт видоизменил гипотезу Эри. Он считал, что нижняя поверхность земной коры ровная, но плотность коры обратно пропорциональна ее мощности Аномалии силы тяжести по Пратту вызываются тем, что под горами залегают более легкие породы, а под пониженными участками — более плотные.
В последующие годы гипотеза изостазии получила широкое распространение. При помощи изостазии пытались объяснить все особенности развития земной коры и происхождение тектонических движений. Однако работы последних лет показывают, что во многих районах наблюдаются различные отклонения от изостатического равновесия (поднятие «тяжелых» участков, аномалии силы тяжести обратного знака и т. д.). Эти данные заставляют считать, что изостазия выдерживается лишь в пределах очень крупных масс земной коры (материки). В то же время гипотеза изостазии оказывается несостоятельной при объяснении строения отдельных участков, а также не может объяснить причин тектонических движений.
—Источник—
Половинкин, А.А. Основы общего землеведения/ А.А. Половинкин.- М.: Государственное учебно-педагогическое издательство министерства просвещения РСФСР, 1958.- 482 с.
Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава
