Лекции по геологии

Лекция 2

Планета Земля

1. Общие сведения о Земле и Вселенной.

Планеты солнечной системы.

1. Происхождение Земли и планет Солнечной системы.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ

Начало формирования Вселенной ученые связывают с Большим Взрывом около 12-15 млрд лет назад, который из существовавших до этого в космическом пространстве только элементарных ядерных частиц и фотонов породил огромную массу наиболее легких элементов - водорода и гелия, а также, возможно, и других легких элементов - лития, бериллия, бора. Эти элементы сразу же после взрыва существовали в виде более или менее однородной водородно-гелиевой плазмы, т. е. ионизированного газа с температурой около 4000 °С со средней ничтожной плотностью 3000 частиц на 1 см³. Радиус плазменного облака составлял вначале около 15 млн световых лет, но как следствие Большого Взрыва стало то, что Вселенная стремительно расширяется и современный ее диаметр оценивается в 20 млрд световых лет, т. е. свет, движущийся со скоростью около 300 тыс. км/с, пролетит расстояние из одного края видимого звездного мира до другого края за 20 млрд лет - так невероятно огромны размеры нашей Вселенной.

Эволюция Вселенной в отсчете от начала

Большого Взрыва

Большой Взрыв.

• 10 ³ с — планковское время. Начало дифференциации вещества.

• 10 ^4_ с - начало действия сил гравитации.

• 10 ³⁰ с - начало сильных взаимодействий.

• 10 ³⁶ с - расширение.

• 10 ³ - 10 ³ с - кварки и антикварки.

• 10 “ с - электромагнитные взаимодействия. Фотоны.

• 10 ^и с — слабые взаимодействия.

• 10 с - охлаждение до 1 триллиона К.

• 1 с - 3 мин - нуклеосинтез.

• 10 с - 3000 лет - охлаждение и расширение.

3000 лет - охлаждение и вещество получает первичный источник гравитации.

• 300 000 лет - охлаждение и расширение.

• 200 млн лет - образование галактик.

В течение первых секунд после начала «взрыва» температура среды в образовавшемся облаке была равна миллиардам градусов, при которых осуществлялись ядерные реакции. С момента взрыва и до настоящего времени Вселенная непрерывно расширяется, что устанавливается по красному смещению в спектральных линиях поглощения звезд далеких галактик и одновременно охлаждается.

Первоначальный объем вещества Вселенной имел плотность 10 кг/м' (для сравнения можно отметить, что плотность атомного ядра -10 кг/м³), а температура огненного шара после взрыва - примерно

100 млрд градусов.

Образование планеты Земля

Если Солнце появилось около 5 млрд лет тому назад, то Земля, как планета, сформировалась вскоре после этого события всего за несколько сотен миллионов лет, а может быть, и быстрее.

Солнце возникло за счет сжатия вещества межзвездного облака, и, когда температура достигла определенных высоких значений, началась термоядерная реакция - слияние ядер водорода с образованием ядер гелия и выделением огромной энергии. «Ядерного горючего», т. е. водорода, должно хватить еще на 5 млрд лет, хотя новейшие исследования снижают эту цифру. Солнце продуцирует энергию для многих процессов, идущих на Земле. Эта энергия поддерживает существование радиационных поясов и полярных сияний Земли, влияет на изменение магнитного поля.

Форма и размеры Земли

На рубеже XVII и XVIII вв. И. Ньютон теоретически обосновал положение о том, что под воздействием силы тяжести Земля должна иметь сжатие в направлении к центру вдоль оси вращения и принять форму эллипсоида или сфероида. Разница между экваториальным и полярным радиусами Земли составляет немногим более 21 км. Это свидетельствует о сплюснутости ее по оси вращения.

В действительности поверхность Земли представляет собой трехосный эллипсоид. Наибольший и наименьший радиусы экватора для водной поверхности отличаются по длине на 213 м. Такую поверхность назвали геоидом (геоид - дословно «землеподобный»).

Геоид - для океанов реальная, а для континентов воображаемая уровенная поверхность гравитационного потенциала, совпадающая с поверхностью воды океанов. Расхождение между геоидом и эллипсоидом (сфероидом) местами достигает ±100-150 м.

Форма и размеры Земли были вычислены геодезистом А. А. Изотовым в 1940 г. Выведенная им фигура была названа эллипсоидом Красовского в честь геодезиста Ф. Н. Красовского.

Основные параметры эллипсоида Красовского: экваториальный радиус - 6378,245 км; полярный радиус - 6356,863 км; полярное сжатие а - 1/298,25. Площадь поверхности Земли составляет около 510 млн км², ее объем- 1,08332*10'“ км³, масса- 5,976* 10²⁴ кг.

Дополнительные сведения для сфероида Красовского

и другие данные

• • Средний радиус - 6371,22 км.

• • Длина окружности экватора - 40 075,696 км.

• • Поверхность суши - 149 000 000 км“ (29 % поверхности Земли).

• • Водная поверхность - 361 000 000 км (71 % поверхности Земли).

• • Критическая скорость отрыва тел от притяжения Земли - 11,19 км/с (100 000 км/ч).

• • Средняя плотность Земли - 5,517±0,004 кг/м'.

• • Средняя плотность земной коры - 2,65 кг/м³.

• • Скорость движения по своей орбите - 107 200 км/ч.

• • Угол наклона оси вращения Земли - 23,5°.

• • Масса Земли - 6-10¹" Гт.

Земля - одна из восьми планет (ранее планетоид Плутон диаметром 1100 км, имеющий одну луну, считали девятой планетой) Солнечной системы и единственная, на которой существует жизнь. Полагают, что до так называемого «Большого Взрыва» - начала расширения Вселенной - ее вещество находилось в состоянии бесконечно большой плотности и температуры, так называемой сингулярности, при которой привычные понятия пространства и времени теряют смысл.

Возраст Земли, согласно последним данным, оценивается в 4,6 млрд лет, а возраст древнейших минералов цирконов, определенный радиологическими методами, составляет 4,0-4,3 млрд лет. Аккреция Земли происходила в течение 0,5 млрд лет, и в этом процессе выделяют ряд стадий. Во время наиболее ранней, длившейся всего 100 млн лет, радиус планеты увеличивался очень быстро и достиг к рубежу в 4,5 млрд лет 95 % современного. Во время двух следующих стадий рост Земли замедлился. В интервале 4,2-3,9 млрд лет назад планета подвергалась усиленной бомбардировке падающими на нее планете-зималями и крупными метеоритами. При этом выделялось огромное количество тепла, нагревающего молодую планету. Этого тепла было достаточно, чтобы расплавить ее поверхностный слой, имевший в среднем андезитовый состав.

4,2 млрд лет назад, или несколько раньше, у Земли уже был ее спутник Луна, о происхождении которой существуют разные гипотезы, но вероятнее всего, что она возникла одновременно с Землей и независимо от нее из вещества протопланетного диска. Луна оказывает на планету сильное приливное воздействие.

Изучение глубинного строения Земли. Лишь поверхностные участки нашей планеты доступны непосредственному наблюдению, и самая глубокая скважина на Земле, пробуренная на Кольском полуострове недалеко от Мурманска, проникла в земные недра всего на 12 261 м. Однако известно строение Земли, установленное косвенными сейсмическими методами. Суть их довольно проста. При любом землетрясении, промышленном взрыве, испытании ядерных зарядов возникают сейсмические волны, т. е. объемные волны деформации. Продольные, когда сжатие-растяжение направлено вдоль распространения волны, и поперечные, в которых перемещение частиц происходит поперек направления движения волны (рис. 3). Эти волны деформации распространяются в недрах Земли во все стороны. Скорости сейсмических волн различны в разных породах. Улавливая эти волны специальными приборами, сейсмографами, и зная изменение их скоростей, можно как бы просвечивать весь земной шар и получать картину его внутреннего строения.

Строение Земли. Используя значения сейсмических волн, появилась возможность определить распределение плотности в недрах Земли и построить сравнительно приближенные к истине модели Земли. Одной их первых реальных моделей является сейсмическая модель Джеффриса-Гутенберга, построенная в 30-х годах XX века (рис. 4).

a

волны

/

6

Рис. 3. Типы сейсмических волн:

1 - объемные волны: а - продольные; б - поперечные; 2 - поверхностные волны: в - Лява; г - Рэлея. Стрелками показано направление движения волны (Короновский Н. В., 2001).

В начале 40-х годов XX века австралийский сейсмолог К. Е. Буллей (Keith Edward Bullen, 1906-1976 гг.), стажировавшийся у Гарольда Джеффриса в Кембридже, предложил более точную сейсмическую модель строения Земли, которая стала называться его именем - моделью Буллена (рис. 5). Согласно этой модели Земля разделена на оболочки, которые обозначены буквами Л, В, С, D, Е, F, G. На границах

сферических оболочек Земли наблюдается резкая, скачкообразная смена скоростей сейсмических волн. Породы этих оболочек обладают разными физическими свойствами и химическим составом. С глубиной в них возрастают плотность, давление, температура и уменьшается ускорение силы тяжести.

Рис. 4. Зависимость скорости продольных (р) и поперечных (5) сейсмических волн от глубины Земли.

Рис. 5. Строение Земли.

А

А - земная кора - до 33 км В - верхняя мантия - до 400 км С - переходный слой - до 1000 км В - нижняя мантия - до 2900 км Е - внешнее ядро - до 4980 км F - переходная обл. - до 5120 км (7 - внутреннее ядро - до 6371 км

Границы между геосферами А и^Ди^ГиС- резкие; между В и С, С и Д ? и С - условные, так как переход постепенный.

Таким образом, на основании сейсмических данных выделяют не менее 7 оболочек Земли (рис. 5), но в генерализованном виде ученые выделяют три главные области Земли, отделенные друг от друга четко выраженными поверхностями раздела, на которых скорости сейсмических волн резко изменяются (рис. 4, 5).

1. Земная кора - твердая верхняя оболочка Земли. Ее мощность изменяется от 5-10 км под водами океанов, до 30-40 км в равнинных областях и до 50-75 км в горных районах (максимум под Андами, Гималаями и Восточным Памиром). Верхняя часть земной коры, состоящая главным образом из осадочных горных пород, образует осадочную оболочку Земли, или стратисферу. Нижняя часть земной коры представлена различными метаморфическими породами среднего и основного состава, образовавшимися в результате метаморфизма вулканических пород.

Ссылаясь на наличие сульфидных руд в земной коре, геологи допускали существование в мантии сульфидной оболочки. Однако определение изотопного состава свинца из разных сульфидных руд показало их различный абсолютный возраст; следовательно, отторжение сульфидов из горных пород происходило в разное время, так что гипотеза сульфидной оболочки лишена достаточного основания. Процесс образования металлического сплава Ге-№, из которого состоит ядро Земли, наименее изучен. Вероятно, ядро формировалось в процессах агломерации в протопланетном облаке и далее при адиабатическом сжатии Земли.

2. Мантия Земли распространяется ниже земной коры до глубины 2900 км от поверхности. Она подразделяется на три части: верхнюю мантию до глубины 670 км, переходный слой - до 900-1000 км и нижнюю мантию от 1000 до 2900 км. Вещество мантии и ядра представляет собой дифференцированные продукты от исходной космической пыли.

Вещество мантии Земли (перидотиты, дуниты и другие ультраос-новные породы) имеет химический состав, приближающийся к метеоритному.

Господствующие в мантии высокие температуры и давления приводят к полиморфным изменениям минералов, например к образованию стишовита, т. е. кварца с плотностью 4350 кг/м' (при нормальном давлении и температуре), и т. п. Благодаря этому вещество мантии разделяется на зоны с разной плотностью. Вещество верхней мантии проникает к поверхности на материках в дунитовых поясах, богатых хромитами, платиноидами, высокотемпературными сульфидами, в океанах - в рифтовых долинах срединно-океанических хребтов.

3. Ядро Земли. В нем выделяют внешнее «жидкое» ядро до глубин около 4980 км, переходный слой в интервале глубин 4980-5120 км и твердое внутреннее ядро ниже 5120 км. Центр ядра в среднем (из-за различающихся радиусов Земли) находится на глубине 6371 км.

Скорость распространения продольных сейсмических волн в нижней части земной коры в среднем от 6,5-7,0 до 7,4 км/с, а поперечных волн - около 3,7-3,8 (4,1) км/с (см. рис. 4). Земная кора отделяется от мантии в большинстве случаев достаточно резкой сейсмической границей, ниже которой скорость продольных волн возрастает до 7,9-8, иногда 8,2-8,3 км/с, а поперечных - до 4,5-4,7 км/с.

Вещество Земли, за исключением ее внешнего ядра, находится в твердом агрегатном состоянии. Внешнее же ядро, через которое не проходят поперечные сейсмические волны, находится, скорее всего, в жидком состоянии, и его взаимодействие с твердым внутренним ядром порождает магнитное поле Земли.

В верхней мантии на глубинах от 10-15 до 400 км существует неравномерно развитый слой, характеризующийся некоторым уменьшением скоростей сейсмических волн, называемый астеносферой (т. е. «ослабленным» слоем). Возможно, он обусловлен плавлением вещества мантии в объеме от 1 до 2-3 %. Именно астеносферный слой пониженной вязкости играет важную роль в перемещении по ним литосферных плит - более прочной части верхней мантии и земной коры.

Как возникли оболочки Земли? Однозначного ответа на этот вопрос нет, но существуют две гипотезы, не считая других, менее вероятных.

Согласно первой из них, называемой гипотезой гетерогенной аккреции Земли, сначала происходило слипание (аккреция) тугоплавких частиц планетезималей, содержащих железо и никель, из которых и сформировалось очень плотное и тяжелое ядро. Вокруг него позже «налипли» более легкоплавкие силикатные частицы, образовав мантию Земли, т. е. изначально Земля уже обладала дифференцированным внутренним строением.

По второй гипотезе - гомогенной аккреции - происходило формирование из планетезималей однородной Земли, которая только при дальнейшей своей эволюции расслоилась на ряд оболочек, включая мантию, внутреннее и внешнее ядро.

В настоящее время предпочтение отдается первой гипотезе, так как установлена первичность конденсации железо-никелевого сплава, известного в железных и каменных метеоритах. Большое содержание сидерофильных элементов в мантии Земли (никеля, железа, молибдена и др.) свидетельствует о невозможности выплавления из нее железо-никелевого ядра. Новейшие геофизические данные как будто бы свидетельствуют о продолжающемся росте внутреннего ядра Земли. Иными словами, процесс дифференциации вещества Земли еще не закончился.

Для геологов важно знать, была ли Земля первоначально холодной или горячей? Полностью скрытый от нас период развития Земли продолжительностью примерно 0,4-0,5 млрд лет не позволяет однозначно ответить и на этот вопрос. Факторы первичного разогрева Земли известны. Это и мощные удары метеоритов, и соударения планетезималей в момент аккреции планеты, и распад радиоактивных элементов, и действие приливных сил со стороны

Луны, раньше располагавшейся ближе к Земле, и процессы дифференциации вещества внутри самой Земли, т. е. образование ее оболочек. Все эти процессы способны генерировать тепло.

Геологи сейчас склоняются к представлению о том, что к интервалу времени 4,2-3,9 млрд лет верхняя оболочка Земли была в состоянии, близком к расплавленному, что заставляет предполагать формирование уже в это время первичной земной коры в виде тонкой оболочки, покрывавшей всю планету и обладавшей, по-видимому, базальтовым составом, близким к составу базальтов Луны, образовавшихся в этом же временном интервале.

Таким образом, наиболее древняя стадия развития Земли, насчитывающая около 0,5-0,4 млрд лет, практически неизвестна. Все попытки ее реконструкции не выходят за рамки предположений.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

В одной из бесчисленных галактик, называемой Галактикой Млечного Пути, примерно 5 млрд лет назад возникла планетная Солнечная система, в которой располагается и Земля. Существует несколько гипотетических моделей ее образования, но, пожалуй, наиболее разработанной является модель взрыва сверхновой звезды и ее воздействия мощной ударной волной на скопление межзвездной пыли и газа, приведшее к их конденсации и формированию первичного диска межзвездной материи, из которой впоследствии и сформировались планеты (рис. I).

Гравитационная модель образования Солнечной системы. Согласно наиболее распространённым космогоническим гипотезам при образовании Солнца из сжимающейся и вращающейся туманности на заключительной стадии сжатия от центрального сгущения отделилась значительная масса горячей плазмы, которая образовала вокруг него протопланетное облако в виде диска. Облако быстро охлаждалось, и в нём возникла спонтанная конденсация вещества. В результате многостадийных реакций (конденсационный рост ядер, их коагуляция, процессы аккреции и агломерации) газовое облако превратилось в газопылевое. Одновременно происходила потеря облаком газов в космическое пространство. Холодное газопылевое облако в силу ротационной неустойчивости разбилось на ряд сгущений - протопланет, которые адиабатически сжимались. Благодаря этому процессу из холодного вещества протопланетного облака образовались планеты земного типа и астероидный пояс с астероидами и метеоритами. Наконец, на периферии протопланетного облака происходила при очень низких абсолютных температурах конденсация отлетевших газов (Н, Не, Т^Нз, СВЦ и др.), образовавших большие планеты - Юпитер, Сатурн, Нептун, Уран.

Физико-химическая модель эволюции Солнечной системы.

Г. П. Гладышев в 1977 г. обратил внимание на то обстоятельство, что одна из стадий эволюции Солнечной и спутниковых систем могла протекать по диффузионному механизму пространственнопериодической конденсации, ранее не учитываемому эволюционными

Рис. 1. Формирование Солнечной системы:

1 - взрыв сверхновой звезды порождает ударные волны, воздействующие на газово-пылевое облако (ГПО); 2 - ГПО начинает фрагментироваться и сплющиваться, закручиваясь при этом; 3 - первичная Солнечная небула; 4 - образование Солнца и гигантских, богатых газом планет - Юпитера и Сатурна; 5 - сильный ионизированный газ - Солнечный ветер - выдувает газ из внутренней зоны системы и с мелких планетезималий; 6 - образование внутренних планет из планетезималей в течение 100 млн лет и формирование «облаков» Оорта, состоящих из комет; 7 - схематическое строение Солнечной системы (Короновский Н. В., 2001; БСЭ).

теориями. Первичные кольца Солнечной и спутниковых систем возникали за счет поступления вещества центральных тел в соответствующие протооблака и протекания химических реакций, приводящих к конденсации вещества из пересыщенного состояния. Кроме того, периодическая конденсация могла наблюдаться и без протекания химических реакций вследствие образования твердой фазы отдельных веществ в системах с заметным градиентом температуры. Концентрация вещества в протооблаках была на протяжении некоторого времени достаточно высокой. Роль магнитогидродинамических эффектов была существенной не на всех этапах эволюции Солнечной и спутниковых систем.

Создание модели эволюции планетных и спутниковых систем является типичной макрокинетической задачей, предполагающей учет ряда физических и химических явлений.

Этапы эволюции рассматриваются с учетом представлений о пространственно-периодической конденсации вещества во вращающихся газово-пылевых протосолнечном и протопланетных облаках.

На первом этапе возникло Протосолнце, которое образовалось в результате аккреции из исходного облака Солнечной системы. Далее, на втором этапе, происходило размещение газа и пыли, образующих среду, около намагниченного центрального тела. Этот процесс не привел к заметному упорядочению в размещении вещества. С другой стороны, несомненно, что возникшие неоднородности отразились на дальнейших этапах эволюции. На третьем этапе наблюдался перенос момента количества движения от Протосолнца к окружающей среде, в результате чего частицы пыли и соответствующие массы газа стали двигаться по кеплеровым орбитам относительно центрального тела -Солнца.

На этих трех этапах решающую роль должны были играть магнитогидродинамические эффекты, поскольку падающий по направлению к Солнцу газ был достаточно разрежен и представлял собой плазму. Разумеется, второй и третий этапы не были четко разделены по времени и соответствующие процессы протекали параллельно. По мере концентрирования вещества вокруг Солнца его плотность и роль магнитогидродинамических эффектов уменьшались. Когда протооблако остыло и превратилось в протодиск, эти эффекты стали малыми. Указанные три этапа завершились относительно быстро - за 10-1 (Г лет.

Далее последовал самый длительный, четвертый, этап эволюции -образование первичных колец Солнечной системы. Этот этап завершился сравнительно недавно; возможно также, что он еще заканчивается на периферии Солнечной системы. Согласно представлениям Г. П. Гладышева, этот этап протекал несколько менее 4,57-10 лет и был связан с диффузией (массопереносом) вещества Солнца (в том числе и с периферии системы) в эволюционирующий диск, в котором наблюдались процессы пространственно-периодической конденсации вещества из пересыщенного состояния. По мере возникновения первичных колец, которые сначала образовались у Солнца, начался следующий этап их эволюции. Он сопровождал предыдущий этап коль-цеобразования в течение всего периода в 4,57-10 лет. Все последующие этапы протекали параллельно.

Аккреционная эволюция каждого протопланетного кольца посредством эволюции «струйных» потоков приводила к возникновению планетезималей и далее зародышей планет. Эти зародыши состояли в основном из соединений тяжелых элементов. Если зародыш достигал достаточного размера и температура в соответствующей зоне диска была относительно низкой, наблюдался гравитационный захват неконденсирующихся веществ - водорода, гелия и др. Этот процесс был наиболее медленной стадией эволюции планет группы Юпитера.

После того как Юпитер и Сатурн заметно увеличились в размерах за счет захвата водорода и гелия, протодиск стал просветляться, поскольку концентрация газа в нем стала заметно уменьшаться. Снижение концентрации газа в диске привело к усилению роли магнитогидродинамических эффектов, влияющих на движение межпланетной плазмы и т. п. Кроме того, по мере роста зародышей планет и появления у них магнитного поля становились ощутимы магнитогидродинамические эффекты в их первичных протоспутниковых облаках. Здесь происходило то же самое, что и в процессе образования Солнца: газ и пыль размещались вокруг планеты, наблюдался перенос момента количества движения и частицы планетных дисков стали двигаться по кеплеровым орбитам. Далее, как и в случае Солнца, магнитогидродинамические эффекты ослабевали. При диффузии вещества протопланет в соответствующие диски в результате пространственной периодической конденсации возникли первичные кольца будущих спутников. После просветления спутниковых дисков магнитогидродинамические эффекты вновь становились ощутимы в ионосферах планет.

Таким образом, общие положения магнитогидродинамической теории эволюции Солнечной системы качественно хорошо согласовываются с развиваемой теорией пространственно-периодической конденсации. В связи с этим представляется целесообразным подчеркнуть, что роль магнитогидродинамических эффектов ослабевала по мере возникновения и сжатия протодисков и снова возрастала в тех областях, окружающих центральные тела, где наблюдалась конденсация газообразного вещества и просветлялся газ.

В итоге была сформирована Солнечная система, состоящая из восьми планет, вращающихся вокруг Солнца и подразделяющихся на внутренние планеты - Меркурий, Венера, Земля, Марс - и внешние -Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун (и Плутон, который в 2008 г. отнесли к крупным астероидам), разделенные поясом астероидов. За орбитой Плутона располагаются внутреннее и внешнее «облака» Оорта, являющиеся источниками большого количества комет (рис. 2).

Рис. 2. Строение Солнечной системы: а. е. - одна астрономическая единица, равная 150 млн км.