учебники / Гаврилов В.П. «‎Общая и историческая геология и геология СССР»

Базальтовые жидкости заполняют межгранулярные простран­

ства между более тугоплавкими кристаллами перидотита, обра­

зующими упругий каркас ослабленного слоя. О частичном рас­ плавлении вещества астеносферы свидетельствует также резкое

возрастание в ее пределах электропроводности, получаемое по

данным магиитотеллурического зондирования. Наиболее отчет­

ливо астеносферный слой выделяется в горно-складчатых обла­ стях и в районах островных дуг; на континентальных равнинах он выделяется хуже. При<rиной этого, по мнению И. П. Космин­

ской, является насыщенность астеносферы областями поиижеи­

ных скоростей, которые представляют собой линзавидные пре­

рывистые тела.

С существованием астеносферы связывают явление изоста­

зии, которое выражается в стремлении литосферы к равновес­

ному состоянию. Астеносфера является тем пластичным слоем,

который выравнивает давления разновысотных и разноплотност­ ных блоков литосферы. Примерно на глубине 100 км давление литосферы одинаковое и не зависит от рельефа местности. По­

пятне об изостазии было выдвинуто английскими геодезистами

Дж. Эри и Ф. Праттом более ста лет назад. Ученые предполо­

жили, что земная кора в среднем имеет одинаковую плотность,

но мощность ее меняется в зависимости от рельефа Земли та­ ким образом, что рельеф подошвы коры является как бы зер­ кальным отражением рельефа дневной поверхности. Поэтому чем выше горы, тем глубже своими корнями они погружаются в астеносферу, образуя так называемые корни гор. Однако это правило подтверждается не всегда. Отклонения от изостатиче­

ского равновесия получили название изостатических аномалий.

Таким образом, астеносфера, с одной стороны, служит ге­

нератором тектонической активности литосферы, поскольку в ее пределах происходит движение магматических масс, с другой стороныэто область затухания движений литосферы, своеоб­ разный амортизатор, «смягчающий» проявление в литосфере активности глубинных недр Земли.

Средняя .мантия (слой С или слой Голицына) отделяется от нижней мантии границей раздела на глубине 950-1000 км. Ниже этой поверхности раздела скорость сейсмических волн плавно нарастает и меняется для продольных волн от 9 до 11,4 км/с, а для поперечныхот 5 до 6,4 км/с. Рост скорости

распространения сейсмических волн сопровождается еще более

быстрым увеличением электропроводности. В интервале глубин от 410 до 950 км, т. е. на протяжении 540 км значение скорости продольных волн увеличивается на 2,4 км/с. Иногда среднюю

мантию рассматривают в составе верхней в качестве ее нижнего

слоя.

Химический и минеральный состав средней мантии принци­

пиально не отличается от состава верхней мантии. Различие

51

в геофизических характеристиках можно объяснить полиморф­

ными переходами мантийного вещества. По-видимому, наиболее

распространен здесь переход кварца (плотность 2,65 · 103 кг/м3 )

в минерал стишовит с более плотной упаковой атомов (плот­

ность 4,35 · 103 км/м3 ), а также оливина в шпинель. Геофизиче­

ские данные указывают на существование латеральной неодно­

родности слоя Голицын.а.

Средняя мантия вместе с верхней мантией и земной корой

образует тектоносферуглавную область проявления тектони­

ческих и магматических процессов.

Нижняя мантия (слои D' и D") прослеживается до глубины

2900 км (,поверхность Вихерта-Гутенберга). Граница раздела

весьма четкая, так как здесь резко падает (с 12,6 до 8,1 км/с)

скорость распространения продольных упругих колебаний, а по­ nеречные колебания вообще не прослеживаются. В основании

нижней мантии по снижению скорости распространения про­

дольных волн с 13,6 до 12,6 кмf.с выделяют переходную обо­

лочку (слой D"), которая располагается в интервале глубин

2700-2900 км. Предполагается, что в нижней мантии скорость распространения упругих волн с глубиной возрастает не за счет

перестройки кристаллических решеток минералов, а в резуль­ тате сжатия вещества под действием растущего давле­

ния.

Слой D"- важная составная часть нижней мантии. По мне­ нию О. Г. Сорохтина, в его химическом составе заметную роль играет одновалентный оксид железа- Fe20. Автор предпола­ гает, что вещество этого слоя имеет флюидальную текстуру,

в которой межгранулярные пространс'Гва в тугоплавкой силикат­

ной основе заполнены расплавленным оксидом железа (подоб­

но тому, как в астеносфере межгранулярные пространства в ту­

гоплавком перидотитовом остове вещества заполнены базаль­

товыми жид~костями). В связи с этим в пределах слоя D" до­

пускается процесс перетекания мантийного вещества, что может приводить к образованию микротрещин, заполненных распла­

вом Fe20, и, в ко.нечном итоге, к эрозии подошвы нижней ман­

тии. Учитывая важную роль, которую играет этот слой в строе­ нии нижней мантии, некото.рыми исследователями (В. Н. Жар­

ков, В. М. Любимов, Л. Н. Дорофеева, В. М. Дорофеев) было

предложено рассматривать его в качестве второй астеносферы

Земли.

§ З. ЯДРО

Ядро занимает центральную часть Земли, составляя около 17 %

ее объема и 34 % массы. В пределах ядра сейсмологические

данные позволяют выделить: внешнее ядро, переходную обо­

лочку и внутреннее ядро.

Б2

Внешнее ядро (слой Е) заключено в пределах 2900-4980 км.

Его объем 15,16%, масса 29,8% всей Земли. С учетом сущест­

венного снижения скорости распространения продольных сейс­ мических волн и затухания поперечных, сделан вывод, что ве­

щество внешнего ядра по от-ношению к сейсмическим волнам

ведет себя как жидкость. По-видимому, внешнее ядро находится

в ра-сплавленно-жидком состоянии или состоянии, близком

к нему.

Переходная оболочка (слой F) соответствует интервалу глу­

бин 4980-5120 км. Она характеризуется некоторым увеличе­

нием (до 10,4 км/~) скорости распространения продольных уп­

ругих колебаний, однако поперечные волны в ее пределах не

прослеживаются.

Внутреннее ядро (слой G или субъядро) занимает самую

сердцевину нашей планеты. Его радиус 1250 км, объем около

0,7 %, а масса около 1,2% всей Земли. Здесь скорость распро­

странения продольных волн возрастает до 11,4 км/с, а скорость поперечных волн соста,вляет 3,4-3,6 км/с. Из этого можно за­

ключить, что вещество субъядра находится в твердом состоя­ нии, но, по-видимому, оно близко к плавлению.

В отношении химического и минерального состава ядра

Земли существуют две основные точки зрения. Согласно пер­

вой, ядро- железо-никелевое, согласно второйсиликатное

(т. е. тождественно составу мантии). Экспериментальные дан­

ные по ударному сжатию силикатов, металлов и их оксидов, кванто-химические расчеты и теоретические построения отвер­

гают идею о каменном составе ядра. Более того, эти матери­

алы показали, что в ядре должно содержаться не менее 80 %

железа. В то же время было доказано, что при давлениях, ко­

торые господствуют в ядре Земли, nлотность железо-никеле­

вого ядра должна бы на 8-15% превышать плотность внеш­

него ядра в существующих моделях. Поэтому предполагается,

что внешнее ядро состоит из сплавов или соединений железа

с легкими элементами, в которых железо-никелевая компонента

не превышает 84-92 %.

По мнению О. Г. Сорохтина, наиболее вероятной добавкой

кжелезу во внешнем ядре является кислород, а основным со­

единением, определяющим состав ядра и тех процессов, которые

в нем протекают,- оксид одновалентного железа Fe20; образо­

вание последнего может происходить при распаде железистых

силикатов в условиях высоких давлений согласно формуле:

Fe2Si04 = Fe20 +SIOz +О.

Фаяпит

При дальнейшем увеличении давления может произойти рас­

пад ок.сида с образованием чистого железа:

Fe20 ~ 2Fe t +0.

53

за то, что внешнее ядро состоит из оксида одновалентной фазы

железа, а внутреннееиз металлического железа или сплава

железа с никелем (Feo,gNi0 , 1). Процессы же кристаллизации же­

леза наиболее активно происходят в переходной оболочке (слой

F). В результате этого процесса идет осаждение железа и при­ ращение внутреннего ядра. Допускается, что ежегодно субъядро планеты прибавляет в радиусе за счет этого примерно на один

сантимет,р.

Сейсмические данные указывают на сложное строение внут­ реннего ядра Земли: оно состоит из двух, а возможно и более,

концентрических оболочек с несколько различающимся соста­ вом. Такое строение субъядра можно объяснить, если допус­

тить, что образуется оно за счет кристаллизации из многоком­

понентной жидкости при постепенно nонижающейся темпера­ туре. На основании этого было сделано предположение, что nервоначально земное вещество представляло собой гомогенную

массу, дифференциация которой началась с того момента, когда

температура недр достигла точки плавления железа. Капли железного расплава, постепенно объединяясь, «стекали» в цент­ ральной области планеты, формируя жидкое nротоядро Земли. В дальнейшем, по мере понижения температуры, стали воз­ можны кристаллизация твердого субъядра и высвобождение его из расплава в самостоятельную геосферу. Процесс этот проте­

кает, вероятно, до сих пор.

Современные данные о внутреннем строении Земли nозво­

ляют сравнить ее с вращающимся толстостенным шаром (кора н мантия), имеющим внутреннюю полость, заполненную жид­ костью (внешнее ядро), в которой плавает сравнительно не­ большое шарообразное твердое субъядро. В центре системы

внутреннее ядро удерживается силами ньютоновского тяготения

и может вращаться иначе, чем мантия. Именно этим эффектом

динамомеханизма, по мнению ученых, создается геомагнитное

поле нашей планеты.

Вопросы для самопроверки

1.Перечислите основные геосферы Земли. Укажите глубины раздела.

2.Какой nараметр nоложен в основу деления земных недр на гео-

сферы?

3.Что nонимается nод земной корой?

4.Приведите химический состав земной коры.

5.Какой элемент наиболее расnространен в земной коре? В каких со­

единениях он встречается?

6. Охарактеризуйте континентальную земную кору.

54

7. Изложите современные nредставления на nрироду nоверхности Кон-

рада.

8.Что такое консолидированная кора? Приведите ее скоростные этажи.

9.Охарактеризуйте океаническую земную кору.

1О. Что такое толеитовые базальты?

11.В чем различия между акустическим и истинным фундаментом океа-

ннческой коры?

12.Охарактеризуйте nромежуточный тиn коры. Приведите ее nодтиnы.

13.Что такое литосфера?

14.Какова зависимость мощности литосферы от ее возраста?

16. Оnределите мощность континентальной литосферы, если ее возраст

250, 600, 1000 млн лет.

17.Охарактеризуйте верхнюю мантию.

18.Дайте характеристику астеносферы.

19.В чем заключается сущность изостазии?

20.Охарактеризуйте среднюю мантию.

21.Что nонимается nод тектоносферой?

22.Охарактеризуйте нижнюю мантию.

23.Каковы особенности слоя D"? Приведите его возможный состав.

24.Охарактеризуйте внешнее ядро, nереходную оболочку, внутреннее

ядро.

25.Приведите химический состав ядра.

26.Какова возможная реакция выделения железа на границе мантия­

ядро?

Раздел второй

ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

ФАКТОРОВ ВНЕШНЕй ДИНАМИКИ ЗЕМЛИ

Важную роль в поверхностных геологических процессах играют факторы внешней: динамики Земли. К. ним относят геологиче­

скую деятельность ветра и других атмосферных агентов, по­ верхностных и подземных вод, морей, озер и болот, ледников,

морозного выветривания и др. Совокупность этих процессов по­

лучила название денудации (лат.- обнажать). Основные ре­ зультаты денудацииразрушение (выветривание) горных по­ род, транопортировка (снос) продуктов разрушения, их осаж­ дение (сед:иментация) и накопление (аккумуляция) в поиижеи­

ных местах рельефа. Различают плоскостную, или площадную

денудацию, при которой: снос не сосредоточивается на каких­

либо локальных участках, и линейную, или локальную денуда­

цию, когда разрушение и снос происходят избирательно и про­ дукты денудации концентрируются в конкретных зонах. В ре­ зультате денудации выравнивается рельеф местности, разру­

шаются целые горные страны, на месте которых формируются денудац.ионные равнины или пенеплены. Пенепленизация рель­ ефа и формирование новых осадочных породважнейший ре­

зультат деятельности факторов внешней динамики Земли.

55

Глава 4

ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ АТМОСФЕРЫ

§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АТМОСФЕРЕ

Атмосфераэто воздушная оболочка, окружающая нашу пла­

нету. Несмотря на то, что масса ее сравнительно незначительна (5,3. 1015 т) и составляет меньше одной миллионной массы

Земли, влияние атмосферы на формирование Земли и на раз­

витие жизни на ней очень велико.

Атмосфера представляет собой газовую оболочку Земли, со­ стоящую из емеси газов и взвешенных пылевидных частиц. В су­ хом чистом воздухе около 78% объема занимает азот, 21 %- кислород, 0,9%- аргон, 0,03%- угл~ислый газ и около

0,003 %-смесь неона, гелия, криптона, ксенона, оксидов азота,

метана, водорода, паров воды и озона. Важная со.ставная часть

атмосферыводяной пар, на долю которого приходится 3 %

объема атмосферы. Если бы весь водяной пар из ат:мосферы выпал на Землю в виде дождя, то поверхность ее покрылась бы слоем воды толщиной 4 мм. Большая часть пара содержит.ся ниже выаоты 3 км. При насыщении воздуха водяными парами

они начинают концентрироваться в облака, туманы.

Половина маесы атмосферных газов находится ниже уровня

5,5 км, в то время как верх.няя граница атмосферы лежит на

О, 1 до 0,0001 мм. Большей частью эта пыль поднята воздуш­ ными потока,ми с пове,рхности Земли, но в ее составе присут­ ствует также космическая и бактериальная пыль.

В атмосфере выделяют следующие естественные слои со апе­ цифичеокими характеристиками физических параметров и ме­

теорологических процессов: тропа-, страто-, мезо-, терма- и эк­

зосферы (рис. 17). Последние т,ри слоя иногда рассматривают

как ионосферу.

Тропосферанижняя часть атмосферы до высоты 7-1 О км

(на nолюсах) и до 16-18 км (на экваторе). Для этого слоя

пература стабилизируется на уровне минус 50-55 °С. Этот слой

минимальных постоянных температур называется тр,опопаузой и

является подошвой следующего слоя атмосферыстратосферы.

Тропосфераэто область активной циркуляции воздуха. При­

ставка «тропо» означает «поворот» или «переворот». Движение

воздуха носит nреимущественно конвекционный (конвективный)

характер и обусловливается разностью температур и соответ­

ственно разницей плотности холодного и теплого воздуха.

56

--- :"" - · . Эк.зосфера .,..._.....,.. ____

~

--.rл------------a8Hblfi MaXi:{LMYM UOHlJ31.1~ЩL

!50

tza

:о.

:м:

t::i' ио

~

~

.()

С(} 70

50

10

о~~~~~;_;...;~~======~

Температура, 0 С

Рис. 17. Вертикальный разрез атмосферы.

Облака разных типов: 1 -конвекции н перистые, 2 - перламутровыс; полярные сияния

вионосфере: 3 - нижней, 4 - верхней: 5 - слой наибольшей концентрации озона

Стратосфераобласть холодного, чистого и разряженного

сухого воздуха, nростирающаяся до высоты nримерно 55 км.

С увеличением высоты в nределах этого слоя температура по­ степенно возрастает до О ос. Слой максимальных температур

в <:тратосфере, раополагающийся в ее верхней части, называ­

ется стратопаузой. Общий темп увеличения температуры в ст,ра­

тосфере равен 1-2 °С/км. Уникальное явление стратосферы­ наличие слоя озона на высоте 25-30 км. Озон поглощает зна­

чительную часть губительного для живых организмов жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Он участ.вует также

57

в формировании темnературного режима атмосферы путем II~­

реизлучения ультрафиолетовых лучей.

Мезосфераслой атмосферы, который простирается до вы­

соты 80-85 /(М. Здесь опять происходит падение температуры до минус 60-80 ос. В верхней части мезосферы находится слой минимальных температурмезопауза. Важная особенность ме­

зосферывысокое содержание ионов газов, являющееся при­ чиной начала возншшовения здесь полярных сияний.

Термасфера-простирается до высоты 800 км и характери­ зуется ростом температуры. В составе газов увеличиваются со­

держания водорода и гелия, возрастает роль ионизированных

атомов и других заряженных частиц.

Экзосферарасполагается до высоты 1500-2000 км и со­

держит, в основном, ионы легких газюв и элементарные ча­

стицы. В верхних частях экзосферы происходит рассеивание (диссипация) атмосферных газов в космическое пространство.

Этому црепятствует магнитное поле Земли.

Атмосфера Земли характеризуется рядом параметров, кото­

рые и определяют ее геологическую деятельность. В первую

очередь, к ним относятся температура, влажность, давление и

движение воздуха.

Температура в атмосфере зависит от солнечного тепла. Су­

ществуют и другие, гораздо менее важные источники нагрева­

ния атмосфе,ры, например тепло, поступающее из недр (общий тепловой поток через земную поверхность), тепло горячих ис­ точников и вулканов. Но все вместе они составляют лишь доли процента общего тепла, которое поглощает атмосфера. Как уже

отмечалось, 31 % общего излучения Солнца в сторону Земли

отражается в космическое пространство, 18 % поглощается не­

посредственно воздухом, водяными парами и облаками и 51 %

достигает поверхности Земли. Таким образом, около 69 % излу­ чения идет на нагревание атмосферы, поверхности морей, оке­

анов и континентов.

Значение темпе.ратуры на поверхности Земли меняется в за·

висимости от времени года и части суток, в связи с чем разли­

чают сезонные и суrочные колебания температуры. Минималь­

ная температураминус 88,3 ос была замерена в августе 1960 г. в Антарктиде на советской станции «Восток» на высоте

3488 м над уровнем моря, а максимальная температура воз­

духаплюс 57,8 ос- в 1922 г. в пустыне Ливии. Таким обра­

зом, максимальный диапазон колебания температуры воздуха

широты местности, направлений циркуляции воздушных масс,

58

рельефа, близости или отдаленности крупных водных бассейнов,

газового состава атмосферы.

Влажность определяется содержанием в воздухе водяного пара. Различают абсолютную влажность, т. е. упругость водя­

ных па,ров, факт,ически имеющихся в воздухе, и относительную

влажностьотношение упругости водяных паров, действи­ тельно содержащихся в воздухе, к упругости паров, необходи­ мых для полного насыщения воздуха при той же температуре.

Относительная влажность измеряется в процентах. В том слу­ чае когда она достигает 100%, наступает конденсация пара

с образованием облако,в. Относительная влажность существенно

завж~ит от температуры: при снижении температуры упругость

насыщения уменьшается и относительная влажность воз,растает.

Поэтому при нарушении температурного равновесия происходит

конденсация влаги и выпадение осадков, величина которых из­

меряется толщиной слоя (в мм), выпавшего в течение года. Среднегодовое количество осадков на Земле изменяется в ши­ роких пределах: в пустынях оно не превышает 100 мм, а в тро­

пических областяхсвыше 3000 мм.

Давление определяется мас.сой столба воздуха определен­ ного сечения. В зависимости от широты местности и темпера­

( 105 Па). С увеличением высоты атмосферное давление резко падает. На высоте 6,5 км оно в два раза меньше, чем над уров­ нем моря. Изменение атмосферного давления на одной и той же высоте обусловлено колебаниями температуры и влажности воздуха. Перепад давления существенно влияет на движение

движение воздуха, преимущественно, в горизонтальном направ­

лении из области высокого давления в область низкого давле­

ния под действием гравитационных сил, а воздушные потоки­

это, в осно.вном, вертикальные перемещения эоздуха. Воздух

в атмосфере Ц'Иркулирует по определенной схеме, которая

включает в себя: экваториальную штилевую полосу (экватори­

аль:ную зону относительно низкого давления); северо-восточные

июга-восточные пассаты; субтропические зоны высокого дав­

ления с нпсходящими воздушным11 потокамн; господствующие :1ападные ветра в средних ши,ротах; полярные северо-восточные

июrо-восточные ветра, расходящиеся по спирали от полярных

областей высокого давления; блуждающие пояса циклонических ураганов (рис. 18). Кроме этих постоянно дующих ветров, пе­

пемещающих огромные массы воздуха и имеющих общеплане­

тарное значение, существуют перемещенпявоздушных масс

местного характера: береговые и морские бризы, горные и до-

59

северныi1 nмюс

0 _экваториальная

штиJJевая np.noca

Юtкный nолюс

Рис. 18. Направления господствующих ветров и барические

пояса у поверхности Земли. По А. Аллисон, Д. Палмер

линные .ветры, мусооны, бури, ураганы, тайфуны, торнадо, смерчи, теплый ветерфён, сирокко и др. Обычно силу ветра оценивают по его скорости согласно двенадцатибалльной шкале

Бофорта. При шrорме скорость ветра 20,8-24,4 м/с; при ура­ гане- 32,7 м/с; при тайфунахдо 200 м/с.

Приведеиные характеристики движения воздуха относятся к ветрам нижней части тропосферы, в то же время установ­ лены мощные воздушные течения в верхней части тропосферы и даже в стратосфере. Они получили название струйных тече­

ний, скорость их превышает 200 м/с, а направление движения

nреимуще.ственно широтное.

Совокупность приведеиных параметров атмосферы опреде­ ляют погоду и климат местности. Погодаэто ежедневное и

ежечасное сочетание различных метеорологических условий, а климатсовокупность nроявлений nогоды во всех ее вари­

антах в течение продолжительных периодов времени. Выделя­

ются следующие основные климатические пояса Земли, распо­

ложенные симметрично от экватора: один экваториальный, два субэквата:риальных (в северном и южном полушариях), два тропических, два субтропических, два умеренных, два субполяр­ ных и два полярных (аркт.ический и антарктический). Иногда

вnределах указанных nоясов дополнительно выделяют разно­

видности климатов, например нивальвый (снежный), гумидный

(влажный и теплый), аридный (засушливый).

60