Внутреннее строение Земли. Геофизические поля и силы

1.

Размеры,форма и возраст
Земли
Средний радиус Земли - 6371 км
экватор - 6378 км, полюса - 6357 км
форма земли - геоид – приплюснутый эллипсоид вращения,
осложненный отдельными вздутиями и депрессиями
средняя плотность - 5,5 т/м3
Температура в центре - 5000 - 6000 град.С
Возраст Земли - 4,6 млрд.лет
R=6371 км

2.

СХЕМА РАСПРОСТРАНЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН
ПРИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИИ

3.

Современные представления о строении и составе земных
глубин в основном основывается на комплексных
геофизических исследованиях. Самым информативным из
них является сейсмический метод, основанный на измерении
скоростей
прохождения
продольных
и
поперечных
сейсмических волн (механических колебаний) через горные
породы. Выделяют три главные сферы Земли, отделенные
одна от другой поверхностями раздела, в которых резко
меняются скорости волн.
Земная кора – твердая внешняя оболочка Земли. Ее
мощность колеблется от 5-7 км в океанах до 30-40 км в
равнинных областях континентов до 50-70 км в горных
областях. Она отделена от нижележащей мантии Земли
границей Мохоровичича, где происходит скачек скоростей
продольных сейсмических волн до 7,9-8,2, а поперечных до
4,5-4,7 км/с. Средняя плотность земной коры – 2,7 г/см3, на
границе Мохоровичича она увеличивается до 3,3 г/см 3 (рис.
2.3.1.).

4.

Рис. 2.3.1. Внутреннее строение Земли.

5.

ЗК сложена горными породами.
Выделяют подвижные и устойчивые участки ЗК.
К устойчивым на континентах относят как низменные, так и возвышенные
равнины – платформы (Восточно-Европейская, Сибирская, СевероАмериканская, Южно-Американская, Африканская, Австралийская,
Антарктическая ).
Щиты - области платформ, где на дневную поверхность выходят древние
кристаллические породы
(Балтийский, Украинский, Алданский, Канадский, Бразильский и др.).
К подвижным поясам относят молодые горные сооружения (Альпы, Карпаты,
Динариды, Кавказ, Памир, Гималаи, Анды, Кордильеры).
В пределах океанов участки дна, напоминающие континентальные
платформы – абиссальные равнины, расположенные на глубинах 4000 –
6000 м, К подвижным поясам океанов относят срединно-океанические
хребты, а также активные окраины Тихого океана с окраинными морями
(Охотское, Японское и др.), островными дугами (Курильская, Японская,
Алеутская и др.), и глубоководными желобами (Курильский, Японский,
Марианский, Кермадек и др.)

6.

Строение земной коры под океанами и континентами
различно. Условно в континентальной коре выделяют три
слоя: осадочный, метаморфический (или гранитный) и
базальтовый. В океанической коре также условно
выделяют два слоя: осадочный и базальтовый. В
химическом составе земной коры преобладают кислород,
кремний и алюминий (84,55%), железо, кальций, натрий,
фтор, магний (14,48%) – «сиаль». В мантии увеличивается
относительное содержание железа и магния, а также
никеля, хрома и кобальта – «сима».

7.

Наиболее
распространенные
химические элементы
–
O, Fe, Si, Mg,
менее распространены
Ni, S, Ca, Al
Остальные имеют
второстепенное значение

8.

Геосферы
Земли
Земная кора имеет толщину 5-70 км,
мантия- 2900 км,
внешнее ядро - 2220 км,
радиус внутреннего ядра равен 1255 км

9.

ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ

10.

Земная кора
(литосфера)
континенты-35-40 км
горы - 50-90км
океан - 5-10 км
Давление на границе ядра - 1,3 млн.ат
в центре ядра - 3 млн.ат
Температура - 6 000 град.С
Плотность - 12 т/м3
Мантия
(до глубины 2900 км)
R=6371 км
Слой
Мохоровичича
(на глубине 30 км)
Астеносфера
(на глубине 150 км под материками
15-150 км под океанами)
Внешнее ядро
(жидкое)
Внутреннее ядро
(твердоое)

11.

Мантия Земли располагается ниже коры до глубины
2900 км. Ее делят на верхнюю – слои «В» и «С» (до
глубины 1000 км) и нижнюю – слои «D» и «D1» (до
глубины 2900 км). Сейсмическими методами в слое «В»
установлен слой с пониженными скоростями поперечных
сейсмических волн. Его называют астеносферой и
предполагается, что породы в нем находятся в
«размягченном» пластичном состоянии. Твердую часть
вышележащей мантии вместе с земной корой называют
литосферой. Исследованиями конца 20 века было
установлено, что во внешней оболочке Земли можно
выделить 7 крупных и до 15 мелких литосферных плит.
Они в виде чешуй покрывают Землю и находятся в
постоянном относительном движении.

12.

ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ, установленное по
геофизическим данным об изменении давления с
глубиной (100 ГПа = 1 Мбар = 106 атмосфер)

13.

ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ
Относительно тонкая земная кора
(причем под океанами более
тонкая и более плотная, чем под
материками) составляет внешний
покров, который отделен от
нижележащей мантии границей
Мохоровичича. Самый плотный
материал слагает ядро Земли, повидимому, состоящее из
металлов. Кора, мантия и,
возможно, внутреннее ядро
находятся в твердом состоянии, а
внешнее ядро, скорее всего, в
жидком

14.

На глубине 2900 км наблюдается резкое падение скорости
продольных сейсмических волн с 13,6 до 8,1 км/ c, а поперечные
волны вообще затухают. Ученые предполагают, что это
свидетельствует
о
переходе
внутриземного
вещества
в
расплавленное состояние. Эту поверхность называют границей
Гутенберга и она отделяет нижнюю мантию от внешнего ядра Земли
(слой Е). В химическом составе мантии преобладают кислород,
кремний, алюминий, магний и железо. Считается, что внешнее ядро
состоит в основном из оксидов одновалентного железа с плотностью
около 10 г/см 3, находящегося в размягченном или жидком состоянии.
Скорость продольных волн в нем возрастает от 8,1 до 10,5 км/с.
Между внешним и внутренним ядром находится слой F (4980-5120
км). Скорость сейсмических волн в нем возрастает до 11 км/с.
Состав его сульфидный (FeS). Слой G – это центральное твердое
ядро Земли. Скорость продольных волн в нем 10,8-11,3 км/с,
плотность достигает 13-14 г/см 3, давление до 3,6 млн. атмосфер. По
современным представлениям в химическом составе его
преобладает железо и никель с примесью серы и, возможно,
кремния и кислорода.

15.

Строение земной коры
Земная кора состоит из 3 слоев мощностью от 5 (океан) до 80 (горы) км.
На 95 % земная кора представлена магматическими породами
на 5% - осадочными.
Поверхностные части литосферы на 75 % сложены
осадочными породами.
Мощность - от 0(щит) до 15 км
Мощность - от 0(океан) до 40 км
Осадочный слой
(плотность до 2,64т/м3-песчаник, 2,83т/м3-доломит)
Гранитный слой
(плотность от 2,52 до 2,9 т/м3)
Мощность - от 5(океан) до 30 км
Граница Конрада
Базальтовый слой
(плотность от 2,9 до 3,3 т/м3)

16.

Состав земной коры

17.

Тепловое, радиоактивное
и магнитное поле земли
Солнечное тепло - 8 Дж/мин*см2 - 1,29*10^24 кал. Действует на 10-20м.
Радиоактивное тепло - 2,3*10^20 кал - уменьшилось в 5 раз за 3 млрд.лет
Средняя толщина радиоактивного слоя - 91 км.
Содержание радиоактивных элементов:
уран 0,00025%, торий 0,0013%, калий - 2,5%.
Геотермический градиент- повышение температуры на единицу углубления
(от 0,5 до 15 град.С на 100м, среднее - 3 град.С на 100м)
Геотермическая ступень - расстояние, на которое надо углубится для роста
температуры на 1град.С (от 7 до 138м)
Магнитосфера - 90 тыс.км. Магнитная ось наклонена к географической на 11град.
Гипотезы магнетизма:
1) магнетизм слагающих веществ
2)следствие вращения Земли
3)вихревые электрические токи на поверхности ядра

18.

2.3.2.Геофизические поля и силы
Материя, слагающая нашу Вселенную, проявляется в виде
вещества и энергии. Данное разделение достаточно условно, так как
эти состояния материи могут переходить одно в другое, но для
геологии удобно. Вещественное выражение материи – это атомы
химических элементов, а энергия – это способность их совершать
работу. Энергия проявляется в различных формах, переходящих
одна
в
другую.
Важнейшие
виды
энергии:
тепловая,
гравитационная, электромагнитная, химическая и ядерная. Энергия
может быть кинетической (энергия движения) и потенциальной
(энергия положения). Для того чтобы работа была совершена,
необходимы какие-то силы, приводящие вещество в движение. Это:
гравитационная сила; электромагнитная сила; атомные силы,
которые подразделяются на слабые силы, определяющие все
физико-химические реакции вещества и сильные взаимодействия в
ядре, проявляющиеся при расщеплении ядер атомов. Эти силы
формируют естественные (или геофизические) поля Земли. К ним
относят гравитационное, магнитное, тепловое, электрическое поле
естественной радиоактивности. Охарактеризуем некоторые их них.

19.

Гравитационное или поле силы тяжести на
поверхности Земли складывается из 2-х сил –
притяжения и центробежной. Центробежная сила на
полюсах отсутствует, поэтому тела с одинаковой массой
на полюсе весят больше, чем на экваторе. Расчетные
значения ускорения силы тяжести (9.83 м/с2 на полюсах и
9.78 м/с2 на экваторе) обычно отличаются от истинных в
результате влияния различных масс пород, заключенных
между уровнем измерения и уровнем моря. В результате
образуются
положительные
и
отрицательные
гравитационные аномалии. По направлению к центру
Земли до глубины 2900 км сила тяжести возрастает до
10,3 м/с2, а затем резко уменьшается до 0 в центре Земли

20.

Магнитное поле Земли своему происхождению обязано конвективным
движениям во внешнем жидком ядре. Электрические токи, возникающие
при этом, генерируют магнитное поле Земли. В настоящее время ось
магнитного поля наклонена относительно оси вращения Земли на 10,50.
Геомагнитное поле изменяется во времени. Изменения бывают
периодическими и непериодическими. Периодические изменения бывают
суточными (связаны с изменением положения земли относительно
Солнца), вековые вариации – плавные изменения геомагнитного поля.
Существующие на Земле магнитные аномалии совершают круговые
движения в широтном направлении. Полный оборот вокруг Земли они
совершают примерно за 1800 лет.
Магнитное поле Земли фиксирует свое положение при формировании
минералов, содержащих элементы-ферромагнетики (Fe, Ni, Co). Горные
породы, содержащие такие минералы (гематит, магнетит, титаномагнетит
и др.) сохраняют приобретенную при формировании намагниченность.
Исследования этой намагниченности (палеомагнитный метод) показали,
что магнитное поле Земли меняет свою полярность каждые 1200-1500
лет (происходит инверсия поля).
Непериодические изменения называют магнитными бурями и связаны
они в основном со вспышками солнечной активности.

21.

Тепловое поле Земли складывается из двух источников тепла – внутренней
теплоты Земли и теплоты, полученной от Солнца. На температуру атмосферы,
гидросферы и 30-40-метрового слоя литосферы решающее значение оказывает
солнечное тепло, а глубже – внутренняя теплота Земли. В литосфере на глубинах от
нескольких метров до 116 метров наблюдается слой постоянных температур, где
температура определяется среднегодовой температурой местности. С дальнейшим
увеличением глубины постепенно возрастает и температура, но с разной скоростью
в разных местах. Расстояние в метрах от пояса постоянных температур, через
которое температура повышается на 1 0С, называется геотермической ступенью. Ее
величина колеблется в среднем = 33 м. Обратная величина называется
геотермическим градиентом. Она указывает, насколько увеличится температура при
углублении на 1 км. Он колеблется от 6 0С на 1 км в Южной Африке, до 150 0С на 1 км
в штате Орегон (США). Средний градиент принят 30 0С на 1 км. В Кольской
сверхглубокой скважине на глубине 12 км зафиксирована температура 280 0С.
Количество теплоты, исходящей из недр Земли на поверхность оценивают через
тепловой поток (Вm/см2 за секунду на слое постоянных температур). Минимален
тепловой поток на территориях древних кристаллических щитов, высокий тепловой
поток отмечен в областях древней складчатости (Урал, Тянь-Шань, Аппалачи), а
также в рифтовых разломах. Выделяют несколько источников внутренней теплоты
Земли. Это теплота, выделяющаяся при распаде радиоактивных элементов ( 238U,
235
U, 232Th, 40K, 87Rb, 87Sr и др.). Теплота, выделяющаяся при гравитационной
дифференциации вещества в недрах. А также теплота, связанная с гравитационным
взаимодействием внутриземных слоев с другими космическими телами (приливные
силы).
Существенно прогреваются недра до глубин более 100 км и при падении на
Землю крупных метеоритов. Предполагается, что температура в ядре Земли
достигает 5000 0С.