Ход работы
В дополнение к рассмотренным понятиям и терминам изучить и освоить также материалы из издания [1], затем на основе изученного материала заполнить выложенные в СДО «Енисей» [2] формы (согласно выданного варианта). Отчет представить в виде:
- титул (указать № варианта);
- цель и краткие сведения;
- вопросы к кроссворду;
- заполненный кроссворд.
Практическая работа 2 Форма, размеры, масса Земли, её оболочки
Цель работы: изучить и освоить основные параметры Земли.
Краткие сведения
Основные сведения относительно внутреннего строения Земли были получены на основании изучения особенностей распространения сейсмических волн, возникающих при землетрясениях.
По установившимся в настоящее время представлениям Земля состоит из трех основных оболочек: земной коры, мантии (или промежуточной оболочки) и внутреннего (центрального) ядра (рис.2.1). Граница между ними фиксируется резкими скачками в скорости распространения сейсмических волн. Особенно резкие скачки относятся к разделам I порядка, менее резкие – к разделам II порядка.
Схема внутреннего строения Земли в соответствии с моделью, первоначально предложенной австралийским сейсмологом К.Е. Булленом, и пути распространения основных сейсмических волн – продольных (Р), поперечных (S) и поверхностных (L) – от очага до регистрирующей станции (Lo= 110 км) представлены на рис.2.2.
Рисунок 2.1 Оболочки Земли
Рисунок 2.2 Схема строения Земли по Буллену К.Е.
Мощность земной коры неодинакова и меняется от района к району в весьма широких пределах. Нижняя граница земной коры определяется обычно четко выраженным сейсмическим разделом – резким скачкообразным увеличением скорости распространения сейсмических волн, и носит название граница Мохоровичича.
Зона А – Земная кора; зоны В, С, Б – оболочка (мантия Земли); зона Е – внешнее ядро Земли. Р – переходная зона от внешнего к внутреннему ядру и О – внутреннее (центральное) ядро Земли.
Спорным и до настоящего времени проблематичным остается опрос относительно физического состояния и состава глубинных частей Земли.
Подстилающая земную кору среда глубже раздела Мохоровичича называется мантией Земли.
Ранее предполагали, что в пределах мантии скорость распространения сейсмических волн возрастает с глубиной. Однако, В. Гутенберг (1942) выявил в верхней мантии зону пониженных скоростей, доходящую до глубин около 300 км. Эта зона имеет глобальное распространение и отчетливее всего фиксируется поперечными и поверхностными волнами, менее четко-продольными. Она получила название – волновода.
Открытие волновода подтвердило выводы Дж. Баррелла (1916 г.) о наличии в подкорковом веществе уровня отсутствия прочности, или астеносферы и уточнило ее положение по отношению к литосфере.
Астеносфера (от греч. Asthenes - слабый и shhaire - шар) – слой пониженной вязкости в верхней мантии Земли. Кровля астеносферы лежит под материками на глубине 80-100 км. Выделяется по геофизическим данным как слой пониженной скорости поперечных сейсмических волн и повышенной электропроводности. Пониженная вязкость астеносферы обусловлена, по-видимому, высокой температурой, приводящей, как полагают, к частичному выплавлению базальтовой магмы. В астеносфере происходит перетекание вещества, которое вызывает вертикальные и горизонтальные тектонические движения блоков литосферы (явление изостазии). Флюиды и магма, проникающие в Земную кору из астеносферы, принимают участие в формировании залежей полезных ископаемых. Астеносфера играет важную роль в эндогенных процессах, протекающих в Земной коре (магматизм, метаморфизм и т.д.).
Мантия – часть Земли (геосфера), расположенная непосредственно под корой и выше ядра. В мантии находится большая часть вещества Земли. Мантия есть и на других планетах. Земная мантия находится в диапазоне от 30 до 2900 км от земной поверхности.
Границей между корой и мантией служит граница Мохоровичича или, сокращённо, Мохо. На ней происходит резкое увеличение сейсмических скоростей – от 7 до 8-8,2 км/с. Находится эта граница на глубине от 7 (под океанами) до 70 километров (под складчатыми поясами). Мантия Земли подразделяется на верхнюю мантию и нижнюю мантию. Границей между этими геосферами служит слой Голицына, располагающийся на глубине около 670 км.
В начале 20 века активно обсуждалась природа границы Мохоровичича. Некоторые исследователи предполагали, что там происходит метаморфическая реакция, в результате которой образуются породы с высокой плотностью. В качестве такой реакции предлагалась реакция эклогитизации, в результате которой породы базальтового состава превращаются в эклогит, и их плотность увеличивается на 30 %. Другие учёные объясняли резкое увеличение скоростей сейсмических волн изменением состава пород – от относительно лёгких коровых кислых и основных к плотным мантийным ультраосновным породам. Это точка зрения сейчас является общепризнанной.
Отличие состава земной коры и мантии – следствие их происхождения: исходно однородная Земля в результате частичного плавления разделилась на легкоплавкую и лёгкую часть – кору и плотную и тугоплавкую мантию.
Ядро Земли – центральная, наиболее глубокая часть планеты Земля, геосфера, находящаяся под мантией Земли и, предположительно, состоящая из железо-никелевого сплава с примесью других сидерофильных элементов. Глубина залегания – 2900 км. Средний радиус сферы – 3,5 тыс. км. Разделяется на твердое внутреннее ядро радиусом около 1300 км и жидкое внешнее ядро толщиной около 2200 км, между которыми иногда выделяется переходная зона. Температура в центре ядра Земли достигает 5000 °С, плотность около 12,5 т/м3, давление до 361 ГПа (3,7 млн атм). Масса ядра – 1,9321021 тонн. Известно о ядре очень мало – вся информация получена косвенными геофизическими или геохимическими методами. Образцы вещества ядра недоступны.
Форма Земли оказалась очень сложна и не соответствует ни одной правильной геометрической фигуре [3]. Поэтому, при определении размеров и формы Земли считают, что она ограничена поверхностью геоида – воображаемой поверхностью, совпадающей с уровнем воды в океанах в состоянии полного покоя, мысленно продолженными под материками так, чтобы он везде пересекал направление отвесной линии под прямым углом (т.е. поверхность геоида всюду перпендикулярна к направлению силы тяжести). При геодезических работах все абсолютные высоты и глубины определяются по отношению к уровню моря, т.е. к поверхности геоида.
Геоид (буквально – «нечто подобное Земле») – выпуклая замкнутая поверхность, совпадающая с поверхностью воды в морях и океанах в спокойном состоянии и перпендикулярная к направлению силы тяжести в любой ее точке (рис. 2.3). Фактически геоид можно представить как эллипсоид с отклонениями формы, вызванными неоднородным строением Земли. Геоид является поверхностью, относительно которой ведётся отсчёт высот над уровнем моря. Точное знание геоида необходимо, в частности, в навигации для определения высоты над уровнем моря на основе геодезической высоты, непосредственно измеряемой GPS-приёмниками.
Рис. 2.3 Геоид Земли, где 1 – мировой океан; 2 – земной эллипсоид;
3 – отвесные линии; 4 – тело Земли; 5 – геоид
Экваториальный радиус (большая полуось эллипсоида) равен 6378,169 км; полярный радиус (малая полуось) – 6356,715 (с учетом наблюдений с искусственных спутников Земли). Отношение разности между большой и малой полуосями к большой полуоси – называется полярным сжатием Земли. Оно невелико (1/297,3) и там, где не требуется большой точности, позволяет считать Землю шаром с радиусом 6370 км.
Площадь Земли равна 5,10·106 км2. Объем – 1,08312 км3. Средняя плотность равна 5,52 г/см3. Среднее ускорение силы тяжести составляет 981 гал. Длина земного меридиана равна 40008,548 км. Длина экватора 40075,704 км. Твердая оболочка Земли обладает расчлененным рельефом, определяющим положение суши и Мирового океана. Наиболее высокая точка на Земле – гора Эверест (Джомолунгма) в Гималаях – достигает высоты 8848 м. Наибольшая глубина – 11022 м в Марианской впадине Тихого океана (у Марианских островов). Таким образом, наибольший размах (амплитуда) рельефа Земной поверхности около 20 км (19870 м). Наглядное представление о рельефе Земли дает гипсографическая кривая. Соотношения площадей, занятых на поверхности Земли различными абсолютными высотами и глубинами (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Гипсографическая кривая
Для построения гипсографической кривой по оси ординат откладываются высоты глубины, а по оси абсцисс площади, закрытые этими высотами и глубинами в миллионах квадратных километров (или в процентах от общей площади земной поверхности). Таким образом, гипсографическая кривая отражает обобщенный идеальный профиль Земной поверхности. Из нее видно, что на суше преобладают высоты менее 1000 м (75% площади), а в океане глубина от 3000 м до 6000 м. Средняя высота материков равна примерно 850 м, средняя глубина океанов около 3800 м. Из 510 млн. км2 земной поверхности на долю океанов приходится 361 млн. км2 (70.8%), а суша занимает всего 149 млн. км2 (29,2%).
Характерно, что возвышенности на материках располагается в виде двух поясов: один приурочен к Тихоокеанскому побережью и включает горы Восточно-Азиатских островов, Кордильеры, Анды, Антарктические Анды. Самая высокая гора этого пояса – Аконкагуа достигает высоты 6960 м. Второй пояс включает Пиринеи, Атлас, Альпы, Апеннины, Балканы, Кавказ, Памир, Гималаи, горные цепи Индокитая и Малайского архипелага. Наивысшая вершина этого пояса – гора Эверест (Джомолунгма) 8848 м. Возникновение этих поясов связано с процессами субдукции и коллизии земной коры (рис. 2.5).
Рис. 2.5 Коллизия и субдукция земной коры