Внутреннее строение Земли

Прямым исследованиям внутреннего строения Земли доступна лишь ее самая верхняя часть. Разрабатывая полезные ископаемые, человек проник в глубь Земли только на 3,5 км и то лишь в отдельных точках планеты (Индия, Южная Африка); подавляющее же большинство шахт имеет глубину до 1 км.

Самые глубокие скважины, пройденные также лишь в нескольких местах на Земле, достигли глубин 10-12 км. Представления о внутреннем строении Земли основываются на косвенных геофизических исследованиях, проводятся аналогии с метеоритными телами, используются данные экспериментальных исследований свойств веществ при высоких температурах и больших давлениях.

Три века тому назад И.Ньютон, изучая движения небесных тел, с поразительной точностью определил плотность планеты Земля в целом — в настоящее время лишь чуть уточнилось — 5,52 г/см3. Плотность же горных пород, залегающих на поверхности Земли, что легко было определить, составляла 2,4-2,9 г/см3. Из сравнения этих величин можно было сделать вывод о том, что недра Земли сильно отличаются от ее наружного слоя.

Где возникают полезные ископаемые

Постепенно возникла идея о строении Земного шара из ряда вложенных друг в друга оболочек. В начале XX века австрийский геолог Э.Зюсс выделил пять оболочек Земли и назвал их исходя из преобладающих, по его мнению, химических элементов (сверху вниз): сиаль (Si+Al), сима (Si+Mg), хрофесима ( Сr+Fe+Si+Мg), нифесима (Ni+Fe+Si+Mg), нифе (Ni+Fе). Изменение вещества Земли с глубиной объяснено им содержанием более тяжелых химических элементов, что признается и в настоящее время, но не ограничивается только этим.

Рис. 2.1.

Пути основных сейсмических волн в теле Земли: Р – продольные волны; РР – продольные волны, отражённые от земной поверхности; РсР – продольные волны, отражённые от ядра; РКР – продольные волны, прошедшие ядро (нем. ”керн” – ядро); S – поперечные волны; SS – поперечные волны, отраженные от земной поверхности; O – очаг землетрясения

В конце XIX века русским академиком Б.Б.Голициным был изобретен сейсмограф — появилась возможность регистрировать упругие волны, возникающие при землетрясениях. В XX столетии усовершенствование аппаратуры и создание всемирной сети стандартных сейсмических станций дало возможность производить записи происходящих землетрясений многими станциями (упругие волны от крупнейших землетрясений пронизывают весь земной шар), а расшифровка возникающей волновой картины, позволила судить о внутреннем строении нашей планеты.

Где залегают полезные ископаемые

От очага землетрясения во все стороны распространяются упругие волны, среди них различают продольные, в которых упругие колебания частиц вещества происходят в направлении распространения волны, и поперечные, в которых частицы вещества смещаются еще и перпендикулярно распространению волны.

Продольные волны распространяются в любой среде, поперечные — только в твердой. Если бы Земля состояла из однородного вещества, то скорости распространения упругих колебаний с глубиной не изменялись. Наблюдения же показывают, что скорости волн с глубиной меняются, кроме того распространяясь от очага землетрясения в глубь Земли, сейсмические волны испытывают преломление, частичное или полное отражение от более плотных горизонтов, находящихся в недрах Земли.

Сейсмографы улавливают и записывают отраженные волны, появляющиеся на поверхности Земли на значительных расстояниях от эпицентра землетрясения. Преломляясь на границе раздела сред разной плотности, упругие волны, искривляясь, проходят далее в недра Земли, но могут отразиться от более глубоко залегающих более плотных оболочек (рис. 2.1).

Скорости продольных волн (Vp) в 1,7 раза больше скоростей поперечных волн (Vs ) — продольные волны получили обозначение Р , поперечные —S от латинских слов “прима” — первая и “секунда” — вторая. График, показывающий изменение с глубиной скоростей распространения сейсмических волн, получил название сейсмической модели Земли (рис.2.2).

Рис. 2.2. Сейсмическая модель земли:

Р – продольные сейсмические волны;
S – поперечные сейсмические волны

Как находят полезные ископаемые

Скачкообразное изменение скоростей распространения упругих волн с глубиной позволило выделить в недрах Земли две крупные границы, разделившие земной шар на три cфepы: земную кору, мантию и ядро; их относительные объемы составляют соответственно 1,5, 82,3 и 16,2 %. Верхняя граница названа разделом Мохоровичича — по фамилии югославского сейсмолога первым установившим его.

Этот раздел отделяет земную кору от нижележащей мантии (рис. 2.3). Под океанами мантия начинается с глубин 6-12 км, под горными сооружениями на континентах — значительно глубже — с 60-70 км. Скорости упругих продольных волн возрастают в мантии от 8,2 до 13,6 км/с, поперечных — от 4,5 до 7,3 км/с, а плотность — от 3,5 до 5,7 г/cм3.

Изменение указанных характеристик на некоторых глубинах происходит не плавно и это дало основание выделить верхнюю мантию до глубины 950 км и нижнюю мантию – до 2900 км, а в пределах верхней части верхней мантии по понижению скоростей продольных и поперечных волн на 0,1-0,5 км/с выделить своеобразный горизонт, получивший название астеносфера (греч. «астенос» — слабый).

Он залегает под океанами на глубинах 50-60 км, под континентами — 100-200 км. Считается, что вещество в астеносфере находится в пластичном состоянии, а в отдельных местах по отсутствию поперечных волн установлено наличие .локальных очагов жидкой магмы. Верхняя мантия выше астеносферы вместе с земной корой составляют литосферу (греч. «литос» — камень) — наружную твердую каменную оболочку Земли.

Рис. 2.3. Строение
земного шара

Полезные ископаемые в экономике

Нижняя крупная граница, выделенная в строении земного шара, названа разделом Гутенберга — по фамилии австрийского сейсмолога; этот раздел отделяет мантию от ядра. Ядро подразделяют на внешнее и внутреннее, между которыми выделяют еще переходную зону. Скорости продольных волн при переходе через раздел Гутенберга падают с 13,6 до 8.1 км/с, а поперечные волны вообще не регистрируются.

Это дало основание многим ученым сделать вывод о жидком состоянии внешнего ядра. Находясь в условиях высоких температур и давлений, это вещество, по-видимому, не является жидкостью в обычном понимании, но обладает некоторыми ее чертами. В то же время значения вычисленной плотности во внешнем ядре по сравнению с мантией резко возрастают — скачок с 5,7 до 9,7 г/см3.

Скорости продольных волн во внешнем ядре продолжают медленно нарастать, увеличиваясь к концу этой оболочки до 10,4 км/с, плотность пород увеличивается до 12,0 г/см3. Поверхность внутреннего ядра обладает слабой отражающей для волн способностью. Во внутреннем ядре скорость продольных волн остается постоянной и составляет 11,3 км/с, плотность вещества увеличивается до 13,0 г/см3.

Скорости продольных волн во внутреннем ядре по сравнению с внешним возрастают, из чего делают заключение, что внутреннее ядро находится в твердом состоянии. Различия в скоростях упругих волн в разных оболочках земного шара, кроме отличия в содержании тех или иных химических элементов, обуславливаются различиями в температуре и давлении, локальном плавлении вещества, изменении агрегатного состояния, ином минеральном составе и особенностях строения минералов и горных пород, в частности более плотной упаковкой (ядра атомов в минералах сближены), а также, различиями плотности в результате фазовых переходов. Минеральный состав с глубиной изменяется следующим образом: силикаты и оксиды — металлизированные силикаты — металлы.

Главная