Схемы внутреннего строения Земли
С незапамятных времен люди пытались изображать схемы внутреннего строения Земли. Их интересовали недра Земли как кладовые запасов воды, огня, воздуха, а также, как источник сказочных богатств. Отсюда - стремление проникнуть мыслью в глубины Земли, куда, по выражению Ломоносова,
рукам и оку возбраняет натура (т. е. природа).
Первая схема внутреннего строения Земли
Величайший мыслитель древности греческий философ Аристотель, живший в IV веке до нашей эры (384-322), учил, что внутри Земли находится «центральный огонь», который вырывается наружу из «огнедышащих гор».
Он полагал, что воды океанов, просачиваясь в глубь Земли, заполняют пустоты, потом по трещинам вода снова поднимается вверх, образует ключи и реки, которые впадают в моря и океаны. Так совершается круговорот воды.
С той поры прошло более двух тысяч лет, и только во второй половине XVII века - в 1664 г появилась первая схема внутреннего строения Земли. Ее автором был Афанасий Кирхер. Она была далеко не совершенна, зато вполне благочестива, как это нетрудно заключить, взглянув на рисунок. Земля изображалась твердым телом, внутри которого огромные пустоты соединялись между собой и поверхностью многочисленными каналами.
Центральное ядро заполнялось огнем, а пустоты, что ближе к поверхности,- и огнем, и водой, и воздухом. Составитель схемы был убежден, что внутри Земли очаги огня согревали ее и производили металлы. Материалом для подземного огня, по его представлениям, служили не только сера и каменный уголь, но также и другие минеральные вещества недр земных. Подземные потоки воды порождали ветры.
Вторая схема внутреннего строения Земли
В первой половине XVIII века появилась вторая схема внутреннего строения Земли. Ее автором был Вудворт. Внутри Земля заполнялась уже не огнем, а водой; вода создавала обширную водяную сферу, а каналы соединяли эту сферу с морями и океанами. Мощная твердая оболочка, состоящая из пластов горных пород, окружала жидкое ядро.
Пласты горных пород
О том, как образуются и располагаются пласты горных пород, впервые указал выдающийся исследователь природы датчанин Николай Стенсен (1638-1687). Ученый долго жил во Флоренции под именем Стено, занимаясь там врачебной практикой. Фантастическим воззрениям авторов схем строения Земли Стенсен (Стено) противопоставил непосредственные наблюдения из практики горного дела.
Горняки давно уже замечали закономерное расположение пластов осадочных пород. Стенсен не только правильно объяснил причину их образования, но и дальнейшие изменения, которым они подвергались. Эти пласты, по его заключению, осели из воды.
Первоначально осадки были мягкими, потом затвердели; сперва пласты залегали горизонтально, затем, под влиянием вулканических процессов, испытали значительные перемещения, чем и объясняется наклон их. Но то, что было правильным по отношению к осадочным породам, нельзя, конечно, распространять на все прочие породы, слагающие земную кору.
Как же они образовались? Из водных ли растворов или из огненных расплавов? Этот вопрос надолго, вплоть до 20-х годов XIX столетия, приковывал к себе внимание ученых.
Спор между нептунистами и плутонистами
Между сторонниками воды - нептунистами (Нептун - древнеримский бог морей) и сторонниками огня - плутонистами (Плутон - древнегреческий бог подземного царства) неоднократно возникали горячие споры. Наконец, исследователи доказали вулканическое происхождение базальтовых пород, и нептунисты вынуждены были признать себя побежденными.
Базальт
Базальт - весьма распространенная вулканическая порода. Она часто выходит на поверхность земли, а на больших глубинах образует надежный фундамент земной коры. Для этой породы - тяжелой, плотной и твердой, темной окраски - характерно столбчатое сложение в виде пяти-шести-угольных отдельностей. Базальт - прекрасный строительный материал.
Он, кроме того, поддается плавке и применяется для производства базальтового литья. Изделия обладают ценными техническими качествами: тугоплавкостью и кислотоупорностью. Из базальтового литья делаются высоковольтные изоляторы, химические баки, канализационные трубы и т. п. Базальты встречаются в Армении, на Алтае, в Забайкалье других районах.
Базальт отличается от остальных пород большим удельным весом. Конечно, значительно труднее определить плотность Земли. А это необходимо знать для того, чтобы правильно понять строение земного шара. Первые и при этом достаточно точные определения плотности Земли были сделаны еще двести лет назад. Плотность принималась в среднем из многих определений равной 5,51 г/см3
.
Сейсмология
Значительную ясность в представления о строении недр Земли внесла наука сейсмология, изучающая природу землетрясений (от древнегреческих слов: «сейсмос» - землетрясение и «логос» - наука). В этом направлении предстоит еще большая работа. По образному выражению крупнейшего сейсмолога, академика Б. Б. Голицына (1861 -1916),
всякие землетрясения можно уподобить фонарю, который зажигается на короткое время и, освещая нам внутренности Земли, позволяет тем самым рассмотреть то, что там происходит.
С помощью очень чувствительных самопишущих приборов сейсмографов (от уже знакомого нам слова «сейсмос» и «графо» - пишу) выяснилось, что скорость распространения волн землетрясения через земной шар не одинакова: она зависит от плотности веществ, через которые распространяются волны. Через толщу песчаника, например, они проходят в два с лишним раза медленнее, чем через гранит.
Это позволило сделать важные заключения о строении Земли. Земной шар, по современным научным воззрениям, можно представить в виде трех вложенных друг в друга шаров. Есть такая детская игрушка: цветной деревянный шар, состоящий из двух половинок. Если его раскрыть, внутри оказывается другой цветной шар, в нем - шар еще меньше и так далее.
- Первый наружный шар в нашем примере - земная кора.
- Второй - оболочка Земли, или мантия.
- Третий - внутреннее ядро.
Толщина стенок у этих «шаров» различна: у наружного - самая тонкая. Тут надо отметить, что земная кора не представляет собой однородного слоя одинаковой толщины. В частности, под территорией Евразии она изменяется в пределах 25-86 километров.
Как определяют сейсмические станции, т. е. станции, изучающие землетрясения, толщина земной коры по линии Владивосток - Иркутск- 23,6 км; между Питером и Свердловском- 31,3 км; Тбилиси и Баку - 42,5 км; Ереваном и Грозным - 50,2 км; Самаркандом и Чимкентом - 86,5 км. Толщина оболочки Земли, наоборот, весьма внушительна - около 2900 км (в зависимости от толщины земной коры).
Оболочка ядра несколько тоньше - 2200 км. Самое же внутреннее ядро имеет радиус в 1200 км. Напомним, что экваториальный радиус Земли - 6378,2 км, а полярный - 6356,9 км.
Вещество Земли на больших глубинах
Что же происходит с веществом Земли, составляющим земной шар, на больших глубинах? Общеизвестно, что с глубиной температура увеличивается. В каменноугольных шахтах Англии и в серебряных рудниках Мексики она настолько высока, что невозможно работать, несмотря на всякие технические приспособления: на глубине одного километра - свыше 30° жары!
Число метров, на которое нужно спуститься в глубь Земли, чтобы температура повысилась на 1°, называется геотермической ступенью. В переводе на русский язык - «степень нагревания Земли». (Слово «геотермический» сложено из двух греческих слов: «ге» - земля, а «терме» - жар. что сходно со словом «термометр».) Величина геотермической ступени выражается в метрах и бывает различна (в пределах между 20-46).
В среднем ее принимают в 33 метра. Для Москвы по данным, глубокого бурения геотермический градиент равен 39,3 метра. Самая глубокая буровая скважины пока не превышает 12000 метров. На глубине свыше 2200 метров в некоторых скважинах уже появляется перегретый пар. Он с успехом используется в промышленности. А что можно обнаружить, если все дальше и дальше проникать к центру Земли?
Температура будет непрерывно возрастать. На некоторой глубине она достигнет такой величины, при которой все известные нам горные породы должны расплавиться. Однако, чтобы сделать отсюда правильные выводы, необходимо учесть еще и воздействие давления, которое тоже непрерывно повышается по мере приближения к центру Земли.
На глубине в 1 километр давление под материками достигает 270 атмосфер (под дном океана на той же глубине - 100 атмосфер) , на глубине 5 км - 1350 атмосфер, 50 км - 13 500 атмосфер и т. д. В центральных частях нашей планеты давление превышает 3 миллиона атмосфер! Естественно, что с глубиной будет изменяться и температура плавления.
Если, допустим, базальт плавится в заводских печах при 1155°, то на глубине 100 километров он начнет плавиться только при 1400°. По предположениям ученых температура на глубине 100 километров равна 1500° и затем, медленно нарастая, только в самых центральных частях планеты достигает 2000-3000°.
Как показывают лабораторные опыты, под влиянием возраcтаюшего давления твердые тела - не только известняк или мрамор но и гранит - приобретают пластичность и обнаруживают все признаки текучести. Такое состояние вещества характерно для второго шара нашей схемы - оболочки Земли. Очаги расплавленной массы (магма), непосредственно связанные с вулканами, имеют ограниченные размеры.
Ядро Земли
Вещество оболочки ядра Земли вязкое, а в самом ядре, в связи огромным давлением и высокой температурой, оно находится в особом физическом состоянии. Его новые свойства сходны в отношении твердости со свойствами жидких тел, а в отношении электропроводности - со свойствами металлов. В больших глубинах Земли вещество переходит, как говорят ученые, в металлическую фазу, которую не возможно пока создать в лабораторных условиях.
Химический состав элементов земного шара
Гениальный русский химик Д. И. Менделеев (1834-1907) доказал, что химические элементы представляют стройную систему. Их качества находятся между собой в закономерных отношениях и представляют последовательные ступени единой материи, из которой построен земной шар.
- По химическому составу земную кору в основном образуют только девять элементов из более ста нам известных. Среди них прежде всего кислород, кремний и алюминий, затем, в меньшем количестве, железо, кальций, натрий, магний, калий и водород. На долю остальных приходится только два процента от общего веса всех перечисленных элементов. Земную кору в зависимости от ее химического состава называли сиаль. Это слово указывало на то, что в земной коре после кислорода преобладает кремний (по-латыни - «силициум», отсюда первый слог - «си») и алюминий (второй слог - «ал», вместе - «сиаль»).
- В подкорковой оболочке заметно увеличение магния. Поэтому ее и называют сима. Первый слог - «си» от силиция - кремния, а второй - «ма» от магния.
- Центральная часть земного шара полагали в основном образована из никелистого железа, отсюда ее название - нифе. Первый слог - «ни» указывает на присутствие никеля, а «фе» - железа (по-латыни «феррум»).
Плотность земной коры в среднем равна 2,6 г/см3
. С глубиной наблюдается постепенное нарастание плотности. В центральных частях ядра она превышает 12г/см
3, причем отмечаются резкие скачки, особенно на границе оболочки ядра и в самом внутреннем ядре.
Большие труды о строении Земли, ее составе и процессах распространения химических элементов в природе оставили нам выдающиеся советские ученые - академик В. И. Вернадский (1863-1945) и его ученик академик А. Е. Ферсман (1883- 1945)-талантливый популяризатор, автор увлекательных книг - «Занимательная минералогия» и «Занимательная геохимия».
Химический анализ метеоритов
Правильность наших представлений о составе внутренних частей Земли подтверждается также химическим анализом метеоритов. В одних метеоритах преобладает железо - они так и называются железными метеоритами, в других - те элементы, которые встречаются в горных породах земной коры, почему они и называются каменными метеоритами.
Каменные метеориты представляют обломки наружных оболочек распавшихся небесных тел, а железные - обломки их внутренних частей. Хотя по внешним признакам каменные метеориты и не похожи на наши горные породы, однако по химическому составу близки к базальтам. Химический анализ железных метеоритов подтверждает наши предположения о природе центрального ядра Земли.
Атмосфера Земли
Наши представления о строении Земли будут далеко не полными, если мы ограничимся только ее недрами: Земля окружена прежде всего воздушной оболочкой - атмосферой (от греческих слов: «атмос»- воздух и «сфайра» - шар). Та атмосфера, которой была окружена новорожденная планета, содержала в парообразном состоянии воду будущих океанов Земли.
Давление этой первичной атмосферы было поэтому выше современного. По мере охлаждения атмосферы потоки перегретой воды изливались на Землю, давление становилось ниже. Горячие воды создали первичный океан - водную оболочку Земли, иначе гидросферу (от греческого «гидор» - вода), (подробнее: Значение воды в жизни человека).
Водная оболочка, покрывая большую часть поверхности земного шара (около 71%), образует единый мировой океан. Исследование глубин океана показало, что очертания его дна меняются. Те данные, которыми мы располагаем в настоящее время о морских глубинах, не могут быть отнесены к первичному океану, так как древнейшие отложения - в большинстве мелководные.
Следовательно, в древнейшие эпохи развития нашей планеты преобладали мелкие водоемы, сейчас же мы наблюдаем обратное соотношение.
Литосфера Земли
Наружная твердая оболочка Земного шара называется литосферой Земли (от греческого слова «литос» -камень).
Биосфера Земли
Схемы внутреннего строения Земли будут не полными, если не учитывать роли живых организмов. Они распространяются в атмосфере до 5 километров высоты, в почве - до 5-6 метров и заполняют всю гидросферу, (подробнее: Какая вода в водоеме). В этих пределах и определяется особая, самая тонкая оболочка Земли - биосфера Земли (от греческого «биос» - жизнь). Она представляет для нас исключительный интерес как среда обитания организмов.