Внутреннее строение Земли

Модель образования оболочек Земли. Современные знания о Земной коре, мантии, ядре. Минеральный и химический состав, структура и физические свойства вещества Земли. Определение скорости прохождения сейсмических волн, его плотности, вязкости и температуры.

Рубрика Геология, гидрология и геодезия
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 17.02.2015
Размер файла 700,0 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И РЕГИОНАЛЬНОЙ ГЕОЛОГИИ

КУРСОВАЯ РЕФЕРАТИВНАЯ РАБОТА

Внутреннее строение Земли

Исполнитель: Некипелова Анна Владиславовна

Руководитель: Ращенко Сергей Владимирович

Новосибирск - 2014

  • Содержание
  • Аннотация
  • Введение
  • 1. Историческая справка
  • 2. Цели и задачи исследования
  • 3. Средства и методы исследования
  • 4. Современные знания
    • 4.1 Земная кора
    • 4.2 Мантия
    • 4.3 Ядро Земли
    • 4.4 Модель образования оболочек Земли
  • 5. Связи с другими научными дисциплинами
  • 6. Исследования, проводимые в институтах геологического профиля Новосибирского центра СО РАН
  • Заключение
  • Список литературы
  • Аннотация
  • Эта курсовая работа связана с внутренним строением Земли. Здесь представлены основные знания, имеющиеся в этой области. Указаны и описаны основные геосферы Земли, их свойства и границы. Рассмотрены некоторые модели строения земных недр. В работе использованы материалы, взятые из широкого спектра источников, включая научную литературу и Интернет-ресурсы.
  • Реферативная работа по курсу содержит введение, шесть глав, заключение, а также шесть иллюстраций, и выполнена на двадцати страницах.
  • Введение
  • Знания о глубинном строении Земли пока очень поверхностны, так как получены на основании косвенных доказательств и моделировании геодинамических процессов. Прямые свидетельства относятся только к поверхностной пленке планеты, чаще всего не превышающей полутора десятков километров. В целом же о внутреннем строении нашей планеты мы знаем меньше, чем о ближнем космосе, исследуемом с помощью астрономических наблюдений с поверхности Земли, спутников и других космических аппаратов.
  • Вместе с тем изучение внутреннего строения Земли жизненно важно. С ним связаны состав атмосферы и климат, рельеф земной поверхности, возникновение вулканов и землетрясений, механизмы образования и размещения многих видов полезных ископаемых, то есть общая история развития земных оболочек. Недавно американский геофизик М. Херндон[1] высказал гипотезу о том, что в центре Земли находится естественный «ядерный реактор». Эта гипотеза способна объяснить инверсию земного магнитного поля, происходящую каждые 200 000 лет. Если это предположение подтвердится, то жизнь на Земле может завершиться на 2 млрд. лет ранее, чем предполагалось, так как уран сгорает очень быстро. Его истощение приведет к исчезновению магнитного поля, защищающего Землю от коротковолнового солнечного излучения и, как следствие, к исчезновению всех форм биологической жизни. Однако, член-корреспондент РАН В.П. Трубицын считает, что прежде чем делать заявления об урановом ядре Земли, необходимо дать обоснованную оценку количества урана, ушедшего в железное ядро. «Уран -- очень тяжелый элемент, который в процессе дифференциации первичного вещества планеты мог опуститься к центру Земли. Но на атомном уровне он увлекается с легкими элементами, которые выносится в земную кору, поэтому все урановые месторождения и находятся в самом верхнем слое коры. То есть если бы он был сосредоточен в виде скоплений, уран мог бы опуститься в ядро, но, по сложившимся представлениям, его должно быть небольшое количество».
  • Не менее важны и другие вопросы. Например, как предсказывать землетрясения и вулканические извержения? Где искать полезные ископаемые и надолго ли их хватит? Однако, фундаментальный научный интерес представляют вопросы, связанные со структурой и вещественным составом недр планеты. Ответы на эти и многие другие вопросы принесёт изучение внутренней структуры, химического состава и физических параметров вещества Земли.
  • 1. Историческая справка
  • Идея изучения геофизических полей для выяснения глубинной структуры Земли и эндогенных процессов, в ней протекающих, начал реализовываться в середине XIX в. Только в конце XIX - начале XX в. были сформированы теоретические основы сейсмологии и начата разработка модели оболочечного строения Земли. Существующий объем информации о глубинном строении Земли позволяет сегодня обсуждать несколько моделей строения земных недр. Под моделью внутреннего строения Земли понимают разрез планеты, на котором показано изменение с глубиной таких параметров, как плотность, давление, ускорение силы тяжести, скорости сейсмических волн, температуры, электропроводности и др. Одной из первых моделей строения нашей планеты является однородная модель. Она исходит из того, что плотность Земли с глубиной практически не меняется, то есть средняя плотность Земли с = 5,52 г/см3[2]. Однако, в реальной Земле имеется существенная концентрация массы к центру, поэтому однородная модель не является удовлетворительной. В начальные периоды своего развития (4,6-4,2 млрд лет назад), когда Земля была недифференцированной планетой, однородная модель более подходила к пониманию её внутреннего строения. Тем не менее, однородную модель можно использовать для описания внутреннего строения Луны, у которой практически отсутствует ядро[3].
  • Первый и наиболее существенный шаг на пути построения реальных моделей сделали Адамс и Вильямсон в 1923 году. Для понимания внутреннего строения Земли они предложили ввести сейсмический параметр Ф. Он определял зависимость, по которой происходит приращение плотности с глубиной, так как давление нарастает с глубиной по гидростатическому закону. Сейсмический параметр учёные предложили находить через скорости сейсмических волн Vp и Vs. Следовательно, используя значения скоростей сейсмических волн, появилась возможность определить распределение плотности в недрах Земли и построить сравнительно точные реальные модели Земли.
  • Одной их первых реальных моделей Земли является сейсмическая модель Джеффриса-Гутенберга, построенная в 30-ых годах прошлого столетия. Модель оставалась неизменной до конца 60-ых годов XX века. Согласно ей недра Земли делятся на три основные оболочки: земную кору, мантию и ядро. При этом, плотность Земли не является непрерывной функцией глубины, а меняется скачкообразно на границах раздела. Особенности изменения скоростей сейсмических волн с глубиной связаны с изменением структуры земных пород. Так, при переходе от коры, сложенной гранитами и базальтами, к мантии, состоящей из ультраосновных пород, скорости возрастают (Рис.1)
  • Рис 1. Изменение скоростей сейсмических волн с глубиной. Красным показаны поперечные (S) волны, синим - продольные (P) волны.
  • Следующий шаг в изучении внутреннего строения Земли был сделан в середине прошлого столетия. По мере получения новых сейсмических данных стало возможным более детальное разделение недр Земли. Cейсмолог К.Е.Буллен предложил сейсмическую модель строения Земли (Рис.2).
  • Рис. 2. Модель строения Земли по Буллену
  • Буллен предложил схему разделения Земли на зоны, которые обозначил буквами: А - земная кора, В - верхняя мантия 33-400 км, С - переходная зона 400-1000 км, D - нижняя мантия 1000-2900 км, Е - внешнее ядро 2900-4980 км, F - переходная зона 4980-5120 км и G - внутреннее ядро 5120-6370 км. Позднее зону D он разделил на зоны D1 (1000-2700 км) и D2 (2700-2900 км). В настоящее время модель значительно видоизменена и лишь слой D2 используется достаточно широко. Тем не менее, модель Буллена послужила надежным фундаментом для всех самых современных моделей. Сейсмическая модель Буллена завершает собой классический период в геофизике - период сейсмологии объемных волн.
  • Впервые идея о возможности оливина (Mg,Fe)2[SiO4] принимать структуру шпинели MgAl2O4 и увеличивать тем самым свою плотность на 11% под действием высоких давлений была высказана Д.Берналлом в 1936 г. Долгое время попытки подтвердить это в лабораторных условиях заканчивались неудачей. Лишь в 1958 г. А.Рингвуду удалось получить шпинельную полиморфную модификацию фаялита Fe2[SiO4] - крайнего члена оливинового ряда. Несколько ранее, в 1953 году Л.Коэс синтезировал первую высокоплотностную модификацию кварца - коэсит - при давлениях в 30 кбар и температуре в 10000С. Плотность коэсита оказалась на 0,28 г/см3 больше плотности обычного кварца и составила 2,93 г/см3. В коэсите ионы кремния находятся в четверной координации с ионами кислорода и отличие от обычного кварца состоит в более тесном расположении ионов силикатного тетраэдра. В 1961 г. советские учёные С.М.Стишов и С.В.Попова получили вторую высокоплотностную модификацию кварца - стишовит, плотность которого достигала в метастабильном состоянии при нормальных условиях 4,28 г/см3. В структуре стишовита (структура типа рутила ТіО2) ионы кремния Si4+ находятся в октаэдрических пустотах плотной упаковки кислородных ионов, и каждый ион кислорода окружен тремя ионами кремния, расположенными примерно в вершинах правильного треугольника [4] (Рис.3). Синтез стишовита явился одним из крупнейших достижений геофизики 60-х годов XX века. Он показал, что основной структурный принцип химии силикатов - четверная координация атомов кремния по отношению к кислороду - при высоких давлениях оказывается несправедливым. В результате этих и других лабораторных экспериментов было доказано, что в недрах Земли под действием возрастающего давления происходит перестройка структурных решеток ряда минералов, что влечет за собой существенное увеличение плотности вещества и возрастание скорости сейсмических волн. Всё это позволило составить относительно детальную картину по строению верхней мантии Земли до глубины 700 км.
  • Рис. 3. Структура стишовита
  • По мере накопления новых геофизических и лабораторных данных постепенно уточнялось строение глубинных сфер Земли и детализировалось строение верхних оболочек. В результате, в конце 70-ых годов прошлого столетия появилось новое поколение реальных моделей Земли - РЕМ (parametric earth models). Недостатками этих моделей являются упрощение строения в зонах полиморфных переходов. Однако простота моделей типа РЕМ является также и их преимуществом, так как они удобны для повседневной практики, а основные особенности строения земных недр они описывают не хуже более сложных моделей.
  • Развитие идей, заложенных при построении моделей РЕМ, позволило Дзивонскому и Андерсону в 1981 г. построить одномерную референсную модель Земли PREM (Preliminary Reference Earth Model) по заказу Международного Союза по Геодезии и Геофизике (International Union of Geodesy and Geophysics). Союз заказал сферически симметричную модель, которую можно было бы использовать в геодезических и геофизических исследованиях. В целом, модель PREM - это обобщённая модель PEM, глубже 420 км обе модели практически совпадают. В PREM заметные изменения по сравнению с PEM внесены в строение наружных 420 км. Новый слой, появившийся в PREM - слой в верхней части мантии на глубинах 24,4-220 км, характеризующейся пятью упругими коэффициентами. PREM имеет три границы в верхней мантии (на глубинах 220, 400 и 670 км) и зону низких скоростей для S-волн на глубинах от 80 до 220 км. Поверхность Мохо в данной модели находится на глубине 24 км.

земной кора ядро минеральный

2. Цели и задачи исследования

Объектом изучения является вещество Земли.

Предмет исследования - конкретный минеральный и химический состав, структура, физические свойства (скорость прохождения сейсмических волн, плотность, вязкость, температура) вещества Земли.

Целью исследования глубинных оболочек Земли, в настоящее время, является сбор и анализ информации о внутреннем строении Земли. Под этим понимается получение комплекса систематизированных знаний по данной проблеме. Благодаря детальному исследованию особенностей глубинного строения нашей планеты удастся установить причины и последствия тех или иных событий в геологической истории Земли.

В качестве задач можно выделить объединение знаний таких дисциплин, как геодинамика, сейсмология, геохимия, петрология, минералогия в конкретную геологическую проблему - глубинное строение Земли, при использовании современной техники и широкого спектра методов, для получения более точных результатов

3. Средства и методы исследования

Находясь на поверхности Земли человек может получить много информации, характеризующую вещество внутренних оболочек: химический состав, возраст, температуру, плотность, величину магнитного поля. Однако изучение глубинного строения Земли вплоть до её центра сопряжено со значительными трудностями. Например, недостаток изучения обнажений состоит в том, что он позволяют изучить только тонкую пленку земной поверхности - верхнюю часть земной коры (около 12 км - менее 0,25% радиуса Земли). Методы, использующиеся для изучения глубинных оболочек Земли подразделяются на прямые и косвенные.

К прямым методам относятся непосредственное изучение горных пород в естественных обнажениях и искусственных выработках. Глубинность этих методов определяется, в основном, глубиной горных выработок. Самой глубокой из выработок является скважина на Кольском полуострове СГ-3, достигшая отметки 12262 км. В процессе исследований были обобщены материалы измерений пространственно- временных вариаций физических полей Земли; проведены структурные, петрологические, геохронологические исследования. Впервые зафиксированы короткопериодные вариации теплового, магнитного, радиоактивного полей, выявлены взаимосвязи отдельных геополей и их зависимость от космических процессов. Установлена разупорядоченность структуры породообразующих минералов (слюд и амфиболов), что свидетельствует о анизотропности состояния вещества на глубинах до 12 км. Можно предполагать, что на глубинах порядка 14-15 км «могут существовать горизонты (слои, тела) с полностью изотропным состоянием кристаллического вещества, которые, очевидно, будут обладать иными особенностями распространения упругих волн по сравнению с горизонтами анизотропных ли частично анизотропных пород».[5]

Также представление о глубинных породах даёт изучение ксенолитов. Так, щелочные базальты могут содержать ксенолиты пород, поднятые с глубин 60--80 км, а в кимберлитах встречаются ксенолиты, принесенные с глубин 100--200 км, в отдельных случаях более 400 км. Считается, что такие ксенолиты образуются в результате относительно медленного поднятия из нижней мантии в верхнюю, и последующего быстрого выноса на поверхность. В трубках взрыва острова Малайта в Западной части Тихого океана обнаружены ксенолиты, содержащие меджорит Mg3(Fe1.2Al0.6Si0.2)2[SiO4]3 и стишовит, что может указывать на глубины более 400км (Collerson et al., 2000). Меджорит назван в честь геофизика А.Меджора, который исследовал формирование гранатов из пироксенового состава при сверхвысоких давлениях. Впервые меджорит (был найден в 1970 году в метеорите Курара (хондрит) неподалеку от городка Екла, в Западной Австралии (Mason et all, 1968; Smith, Mason, 1970) [6] . Из недавних достижений следует упомянуть находку мантийного рингвудита в алмазе. Грэм Пирсон (Graham Pearson) из Альбертского университета (Канада) и его коллеги впервые обнаружили образец рингвудита, в котором содержится не менее 1,5% (вес.) воды. Ученые полагают, что если этот образец рингвудита - характерный представитель переходной зоны между верхней и нижней мантией (слой Голицына), то в ней должно содержаться 1,4x1021 килограммов воды. “Этот образец - очень веское доказательство тому, что глубоко под землёй есть области, содержащие воду. Транзитная зона в недрах Земли, должна содержать столько воды, сколько все океаны, вместе взятые”, - пояснил Г. Пирсон[13].

Ещё одним методом исследования внутреннего строения Земли является проведение экспериментов по поведению минералов при высоких давлениях и температурах, проводящихся в ИЭМ РАН, а также ИГМ РАН (Лаборатория экспериментальной петрологии №449)

В настоящее время уровень развития технических средств позволяет извлекать образцы вещества для прямого изучения с недостаточной глубины. Мощность доступного «слоя», относительно радиуса планеты, сопоставим со сверхтонкой пленкой. Поэтому глубинное строение планеты исследуется косвенными методами и геофизическим моделированием, основанными на анализе геофизических данных. Основную информацию о внутреннем строении Земли дают следующие геофизические методы:

· сейсмологический;

· гравиметрический;

· магнитометрический;

· электрометрический;

· геотермический;

Важнейшим из этих методов является сейсмический, использующий, кратковременно возникающее при землетрясениях, поле упругих сейсмических волн. Возникнув в очаге землетрясения, сейсмические волны распространяются с определенной скоростью по всем направлениям путем упругих перемещений частиц среды. По характеру распространения волны делятся на продольные и поперечные.

Продольные (Р) - это волны сжатия, распространяющиеся в направлении движения волны. Поперечная волна (S) - волна сдвига, при которой деформации в веществе происходят поперек направления движения волны.

Волна S изменяет только форму тела и она, как менее скоростная, приходит на сейсмоприемник позднее волны Р, таким образом, Vp всегда больше Vs. (Рис.4)

Рис. 4. Типы сейcмических волн: а - продольные (P-волны), б - поперечные (S-волны). Стрелками показано направление движения волны.

Когда происходит сильное землетрясение, сейсмические волны распространяются во все стороны, пронизывая земной шар во всех направлениях. В целом сейсмические волны подчиняются законам оптики[7] -- на границах раздела сред с различными скоростями распространения упругие волны отражаются и преломляются.

В результате наряду с прямыми волнами регистрируются отраженные и преломленные волны. Отражение и преломление волн на границах раздела являются надежным источником информации о положении этих границ и широко используются для изучения внутреннего строения Земли. Повторная регистрация волн, которые ранее были зарегистрированы как прямые, свидетельствует о наличии четких границ раздела в недрах Земли и позволяет, используя время движения и скорость распространения волн, установить глубину их залегания.

Одним из сейсмических методов исследования Земли является сейсморазведка. Метод основан на изучении искусственно возбуждаемых упругих волн при помощи специального технического комплекса - источника. В результате геологическая среда реагирует возникновением периодического колебательного процесса с образованием упругой волны. Распространяясь в объеме горных пород, упругая волна попадает на границы раздела, изменяет направление и динамические свойства, образуются новые волны. На пути следования волн размещаются точки наблюдения, где при помощи специальных приборов - сейсмоприемников - определяются свойства колебательных процессов. Используя имеющиеся данные о плотностях известных геологам горных пород, их минеральном составе можно интерпретировать поступающие данные. На выходе с определенной долей вероятности можно получить положение и форму границ, геологических тел, несогласий, разрывных нарушений, и спрогнозировать состав. Наиболее эффективна сейсморазведка при изучении осадочного чехла древних платформ, поскольку его горизонтально-слоистое строение наиболее просто интерпретируется по сейсмических данным. С увеличением наклона целевых геологических границ надежность получаемой сейсморазведкой информации резко падает.

Рис 5. Схема отражения сейсмических волн от поверхности пластов горных пород.

Гравиметрия изучает гравитационное поле Земли, его пространственное изменение и определяет фигуру Земли. Гравитационное поле отражает характер распределения масс в недрах планеты и тесно связано с её формой. Выявление и оценка гравитационных аномалий широко используется в физике Земли, так как их наличие приводит к напряжениям в теле Земли, которые являются причинами течений вещества, а иногда и разрушений. Гравиметрия изучает также приливы в теле Земли; приливные колебания земной поверхности позволяют проводить зондирование недр планеты на сверхдлинных периодах от 1/2 суток до 14 месяцев, что существенно для изучения неупругих свойств земных недр. Современные абсолютные гравиметры высокой чувствительности позволили впервые зарегистрировать временные изменения гравитационного поля, которые обусловлены неравномерностью вращения Земли.

Среди прочих методов следует выделить драгирование - процесс получения проб донных осадков с борта судна.

4. Современные знания

В 1991 Б.Л.Кенет и Е.Р.Энгдал представили одномерную скоростную модель (глобальную сферически симметричную сейсмическую модель) IASP91. Модель разрабатывалась в течение трех лет специальной подкомиссией по землетрясениям Ассоциации по Сейсмологии и Физике Земных Недр (IASPEI). Модель учитывает большой объем цифровых данных о временах пробега Р и S-волн, публикуемых в бюллетенях Международного сейсмологического центра. В модели IASP91 скачки скоростей Р и S-волн расположены на глубинах 410 и 660 км, а граница Мохо расположена на глубине 35 км. Именно эту модель используют сегодня исследователи. Выделяют следующие глобальные оболочки Земли:

· Земная кора

· Мантия

· Ядро

И несколько границ раздела внутри этих оболочек.

4.1 Земная кора

Земная кора является самой верхней твердой оболочкой, которая по отношению к общему объему планеты представляет собой тонкую скорлупу. Для коры типичны консолидированные осадочные породы, покрывающие слоями различной толщины метаморфизованный фундамент сильно изогнутый в складки[8]. Процесс постепенного осадконакопления может нарушаться внедрением интрузивных тел.

Состав, строение и мощность коры континентов и океанов различны, что дало основание для выделения ее главных типов: континентального, океанического и двух переходных.

Континентальная земная кора в районах равнин имеет мощность до 40 км, под горными сооружениями -- 60-70 км, причем максимальные значения выявлены под Андами и Гималаями (до 75 км). Выделяют в строении континентальной коры две части: верхнюю -- осадочную, состоящую в основном из глинистых и карбонатных пород -- и нижнюю, сложенную метаморфическими и магматическими породами. Нижняя часть условно делится гранитный и базальтовый слои. Гранитный слой состоит из пород близких по своим свойствам к граниту. Наиболее распространены здесь гнейсы, граниты, кристаллические сланцы. Встречается гранитный слой не везде, но на континентах, где он хорошо выражен, его максимальная мощность может достигать нескольких десятков километров. Базальтовый слой образован горными породами, близкими по составу к базальтам. Это метаморфизованные магматические породы, более плотные по сравнению с породами гранитного слоя. Скорость распространения сейсмических волн в осадочном слое 3-5 км/с, в гранитном -- 5,5- 6,5 км/с, в базальтовом -- 6,6-7,2 (до 7,4) км/с.

Океанский тип земной коры имеет мощность от 5 до 12 км. Наиболее полный разрез включает:

1. осадочный слой

2. базальты

3. комплекс параллельных даек около 2 км

4. габбро массивное (вверху) и полосчатое (снизу), обогащенные оливином и пироксеном нижние слои габбро, называемые ультраосновными и основными кумулятами соответственно, 1-2 км[10]

Верхний слой морских осадков характеризуется мощностью до 1 км, скорость распространения сейсмических волн менее 3 км/с. В базальтовом слое скорость распространения волн 4-4,5 км/с.

Рис. 6. Строение Земли (от уровня моря): 1 -- вода; 2- осадочный слой; 3 -- переслаивание осадочных пород и базальтов; 4 -- базальты и кристаллические ультраосновные породы; 5 -- гранитно-метаморфический слой; 6 -- гранулитово-базитовый слой; 7 -- нормальная мантия; 8 -- разуплотненная мантия

4.2 Мантия

Мантия Земли является самой крупной геосферой. Граница между корой и мантией, сейсмически достаточно четко выраженная скачком скоростей продольных волн от 7,5-7,6 до 7,9-8,2 км/с, известна как поверхность Мохоровичича. В океанах эта граница несет следы сильных преобразований, и можно предположить, что вдоль нее происходят значительные подвижки или срывы коры относительно мантии. На континентах переход от коры к мантии носит более сложный характер, в ряде случаев обнаруживается несколько границ, которые интерпретируются как перескок поверхности Мохо с одного уровня на другой вследствие фазовых превращений. Сейсмологические данные свидетельствуют о достаточно сложном внутреннем строении мантии. В ее пределах выделяют ряд границ раздела, основными из которых являются поверхности, находящиеся на глубинах 410, 670, 2700, 2900 км. Верхняя мантия (от поверхности Мохоровичича до границы на глубине 670 км) имеет внутренний сейсмический раздел, проходящий на глубине 410 км и разделяющий ее на два слоя. Верхний, залегающий от поверхности Мохо до глубины 410 км, называется слоем Гуттенберга. Он характеризуется замедлением скорости прохождения сейсмических волн с глубиной, что объясняется размягченным, частично расплавленным состоянием вещества мантии (с переменной долей расплава 1-5%)[10]. Эта часть слоя Гуттенберга получила название астеносфера. Верхняя часть слоя Гуттенберга вместе с земной корой образует единую жесткую оболочку -- литосферу, располагающуюся на астеносфере. Литосфера - жесткая и хрупкая, астеносфера более пластичная, подвижная.

Ниже слоя Гуттенберга в интервале 410-670 км расположен слой Голицына, названный так в честь русского сейсмолога Б.Б. Голицына, отличающийся резким нарастанием скорости сейсмических волн с глубиной. Возрастание скоростей упругих волн в слое Голицына с 9 до 11,4 км/с объясняется увеличением плотности вещества мантии в связи с переходом оливина в шпинель, пироксена -- в гранат. Нижняя мантия начинается с глубины 670 км и заканчивается на глубине 2900 км. Границей верхней и нижней мантии служит сейсмический раздел, лежащий на глубине 670 км. Он имеет глобальное распространение и обосновывается скачком сейсмических скоростей в сторону их увеличения, а также возрастанием плотности вещества нижней мантии. Нижняя мантия состоит из двух слоев -- (670-2700 км) и (2700-2900 км). Верхний слой характеризуется дальнейшим увеличением скорости продольных и поперечных волн с глубиной. Скорость распространения сейсмических волн в нем достигает максимальных для планеты значений: для продольных волн около 13,6 км/с, для поперечных приблизительно 7,3 км/с. На глубине 2700-2900 км выделяется слой, где отмечается некоторое снижение скорости распространения продольных волн, что, вероятно, является следствием изменений, обусловленных переходом к внешнему ядру Земли. Слой, находящийся в непосредственном соприкосновении с внешним ядром, испытывает его влияние, поскольку температура в ядре значительно превышает температуру мантии. Этот слой отражает неравномерное поступление энергии остывающего ядра в область мантии.

Согласно современным взглядам, в составе мантии преобладает сравнительно небольшая группа химических элементов: Si, Mg, Fe, Al, Ca и О. Предлагаемые модели состава геосфер в первую очередь основываются на различии соотношений указанных элементов (вариации Mg/(Mg + Fe) = 0,8-0,9; (Mg + Fe)/Si = 1,2-1,9), а также на различиях в содержании Al и некоторых других более редких для глубинных пород элементов. В соответствии с химическим и минералогическим составом эти модели получили свои названия: пиролитовая (главные минералы - оливин, пироксены и гранат в отношении 4 : 2 : 1), пиклогитовая (главные минералы - пироксен и гранат, а доля оливина снижается до 40%) и эклогитовая, в которой наряду с характерной для эклогитов пироксен-гранатовой ассоциацией присутствуют и некоторые более редкие минералы, в частности Al-содержащий кианит Al2O(SiO4) (до 10 вес.%). Однако все эти петрологические модели относятся к породам верхней мантии, простирающейся до глубин ~ 670 км. В отношении состава более глубоких геосфер допускается, что отношение оксидов двухвалентных элементов (ЭО) к кремнезему (ЭО/Si) ~ 2, оказывается ближе к оливину, чем к пироксену.

4.3 Ядро Земли

В строении ядра выделяют три элемента: внешнее ядро (слой Е), внутреннее ядро (слой G) и переходную оболочку (слой F) (Рис.7).

Рис. 7. Схема строения ядра

Внешнее ядро мощностью порядка 2080 км не пропускает поперечные сейсмические волны, что свидетельствует об отсутствии здесь упругого сопротивления сдвигу, то есть слагающее его вещество ведет себя как жидкость. Переходный слой F -- сравнительно тонкая оболочка между внешним и внутренним ядром, имеет мощность около 140 км. Сейсмологические измерения указывают на то, что и внутреннее (твердое) и внешнее (жидкое) ядра Земли характеризуются меньшей плотностью по сравнению со значением, получаемым на основе модели ядра, состоящего только из металлического железа при тех же физико-химических параметра[11]. Это уменьшение плотности большинство исследователей связывают с присутствием в ядре таких элементов, как Si, S и даже О, образующих сплавы с железом. Другой предполагаемой в ядре фазой является b-Fe, структура которой характеризуется четырехслойной плотнейшей упаковкой атомов железа. Температура плавления этой фазы оценивается в 5000 0С при давлении 360 Гпа. Присутствие водорода в ядре долгое время вызывало дискуссию из-за его низкой растворимости в железе при атмосферном давлении. Однако эксперименты (данные Дж. Бэддинга, Х. Мао и Р. Хэмли (1992)) позволили установить, что гидрид железа FeH может сформироваться при высоких температурах и давлениях и оказывается устойчив при давлениях, превышающих 62 Гпа, что соответствует глубинам ~1600 км. В этой связи присутствие значительных количеств (до 40 мол. %) водорода в ядре вполне допустимо и снижает его плотность до значений, согласующихся с данными сейсмологии. Общее заключение таково, что на таких глобальных сейсмических рубежах, как 410 и 670 км, происходят значительные изменения в минеральном составе мантийных пород. Это и другие обстоятельство, позволяют отказаться от представления об однородной структуре Земли.

4.4 Модель образования оболочек Земли

Оболочки Земли по времени образования можно подразделить на первичные и вторичные. Верхние оболочки Земли (атмосфера, гидросфера, алюмосиликатная кора) являются вторичными, в то время как мантия и ядро Земли - первичные образования. Верхние оболочки возникли и эволюционировали в течение всей геологической истории в результате дифференциации первичного материала.

Образование Земли как оболочечной планеты было связано аккумуляцией протопланетного вещества - преимущественно высокотемпературных конденсатов солнечного газа. Наиболее вероятным вариантом образования Земли является предположение о непрерывной аккумуляции материалов. При таком способе аккумуляции первоначально не было резких границ между ядром и мантией; они установились позже ввиду химической дифференциации Земли, связанной с быстрым нагревом, определяющимся распадом радиоактивных изотопов. Таким образом, ядро Земли возникло в результате аккреции и быстрой гравитационной и химической дифференциации. Рост первичной Земли начался с объединения металлических частиц, образовавших первичный металлический зародыш, который продолжал гравитационный захват металлических частиц вместе с силикатными частицами, и лишь на завершающих стадиях аккреции на поверхность растущей Земли стал поступать материал, лишенный металлического и сульфидного железа. Далее металлический зародыш начал гравитационный захват конденсатов окружающей среды. Таким образом, первичная мантия, возникла как мощная оболочка из силикатных частиц. Дифференциация первичной мантии имела двустороннюю направленность: происходило выплавление наиболее тяжелых и легкоплавких компонентов с последующим их опусканием ввиду высокой плотности, и плавление менее легкоплавких, что привело к образованию базальтовой магмы и формированию базальтоидной коры океанического типа. Разделение вещества ядра и мантии произошло в течение первых 100 млн лет существования нашей планеты. Таким образом, оболочечное строение Земли и других планет является следствием как первичных условий формирования, так и последующих процессов химической дифференциации[12].

5. Связи с другими научными дисциплинами

Изучение внутреннего строения Земли в широком смысле связано с физикой и химией. В более узком - с конкретными геологическими дисциплинами, такими как сейсмология, минералогия, петрология.

Сейсмология дает представление о физических параметрах вещества Земли, таких как скорость прохождения сейсмических волн, плотность, вязкость, электрические и магнитные свойства, а так же о границах раздела внутренних оболочек планеты.

Петрология изучает магматические и метаморфические горные породы, их физико-химические условия образования, закономерности распределения в земной коре, мантии и на поверхности Земли.

Изучение структуры и состава внутренних оболочек прольет свет на механизм образования и историю развития этих оболочек и соответственно Земли в целом. Таким образом, изучение внутренних оболочек дает общее представление о структуре вещества Земли, а также позволяет составить геодинамическую модель развития планеты.

6. Исследования, проводимые в институтах геологического профиля Новосибирского центра СО РАН

Исследования непосредственно связанные с внутренним строением Земли проводятся в Институте Нефтегазовой Геологии и Геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН. Реализован Проект VII.54.1.2 «Методы сейсмотомографии для изучения динамики Земных недр» под руководством д.г.-м.н. И.Ю. Кулакова, сроки выполнения: 2010 - 2012 гг. В ходе работ построена сейсмическая модель верхней мантии под Евразией и прилегающими арктическими территориями на основании томографической инверсии глобальных сейсмических данных. «Эта модель позволяет определить границы основных континентальных блоков с утолщенной литосферой, а также проследить мантийные источники внутриконтинентального вулканизма в Европе, южной Сибири и Якутии. В зоне коллизии вдоль Альпийско-Гималайского складчатого пояса наблюдаются сложные процессы погружения фрагментов континентальной литосферы, которые скапливаются в переходной зоне (глубина около 600 км) в виде высокоскоростных аномалий. У восточного края Евразии четко выделяется зона субдукции Тихоокеанской плиты». По данному результату подготовлена статья, автор: д.г.-м.н. И.Ю. Кулаков.

Также, в Институте Геологии и Минералогии им. В.С.Соболева в Лаборатории физического и химическорго моделирования геологических процессов (№ 445) под руководством д.т.н. Кирдяшкина А.Г. готовится Проект VII.66.1.2. «Экспериментальное и теоретическое моделирование тепловой и гидродинамической структуры термохимического плюма и влияния плюмов на состав и строение литосферы» Планируемый результат: установить влияние теплового потока на границе ядро-мантия на величину диаметра подошвы термохимического плюма.

Также в течение лекционной и семинарской программ курса Общей геологии лектора В.А. Верниковского, рассматриваются основные сведения о глубинном строении Земли.

Заключение

В ходе проделанной работы были рассмотрены:

· Классические модели глубинного строения Земли: Джеффирса-Гутенберга, К.Е. Буллена; выяснены их особенности. Дана историческая справка по изучению внутреннего строения планеты и построению моделей на основе геофизических, петрологических и других данных.

· Современные знания о составе, строении, физических свойствах, границах раздела внутренних геосфер Земли.

· Основные методы изучения строения Земли, их достоинства и недостатки. А также исследования, проводимые как в институтах геологического профиля Новосибирского центра СО РАН (ИГМ , ИНГГ), так и в РАН вообще.

Выявлены основные оболочки Земли, их вещественный состав и глубина залегания (в среднем). Земная кора (0-30км) : осадочные, магматические, метаморфические породы; верхняя мантия и астеносфера (30-410км) : ультраосновные породы; средняя мантия (слой Голицына 410-670км) : гранат, шпинель; нижняя мантия (670-2700) : перовскит, магнезиовюстит; ядро (2700-6370) : сплавы железа.

Список литературы

1. http://en.academic.ru/dic.nsf/enwiki/1051263

2. Лекции Белоусова А.В., Введение в обработку сейсмических данных, РГУ НиГ, 2013 http://www.gubkin.ru/faculty/geology_and_geophysics/chairs_and_departments/geology/Earth%20models.pdf

3. Сорохтин О.Г., Ушаков С.А. Глобальная эволюция Земли. М.:МГУ, 1991.

4. Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет/ В.Н. Жарков - М.: Наука, 1983.

5. http://superdeep.pechenga.ru

6. Новые данные о минералах. Выпуск 44. М.: ООО «Альтум», 2009. Под редакцией доктора геол.-мин. наук, профессора М.И. Новгородовой.

7. Болт Б. Землетрясения. Общедоступный очерк. - М.: Мир, 1981.

8. Ботт М. Внутренее строение Земли/ Пер. с англ. Ю.С.Доброхотова; под ред. Е.Ф.Саваренского.-М.:Мир,1974.

9. Полдерваарт А. Химия земной коры. Земная кора.М.:Изд-во иностранной литературы,1957.

10. Добрецов Н.Л. Основы тектоники и геодинамики: учебное пособие: для студентов высших учебных заведений, обучающихся по геологическим специальностям. Новосибирск: Редакционно-издательский центр НГУ, 2011

11. Войткевич Г.В. Химическая эволюция Земли/Г.В. Войткевич, О.А. Бессонов. - Москва:Недра,1986

12. Сорохтин О.Г. Теория развитии Земли: происхождение, эволюция и трагическое будущее/О.Г. Сорохтин, Дж.В. Чилингар, Н.О. Сорохтин; Рос. акад. наук, Рос. акад. естеств. наук. - Москва; Ижевск: Ин-т компьютерных исслед.,2010.

13. Pearson D.G., Hydrous mantle transition zone indicated by ringwoodite included within diamond / D.G. Pearson, F.E. Brenker, F. Nestola// Nature. - 2014.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Создание модели внутреннего строения Земли как одно из самых больших достижений науки XX столетия. Химический состав и строение земной коры. Характеристика состава мантии. Современные представления о внутреннем строении Земли. Состав ядра Земли.

    реферат [22,2 K], добавлен 17.03.2010

  • Внутреннее строение Земли. Понятие мантии как геосферы Земли, которая окружает ядро. Химический состав Земли. Слой пониженной вязкости в верхней мантии Земли (астеносфера), его роль и значение. Магнитное поле Земли. Особенности атмосферы и гидросферы.

    презентация [11,8 M], добавлен 21.11.2016

  • Характеристика оболочек Земли. Тектоника литосферных плит и формирование крупных форм рельефа. Горизонтальное строение литосферы. Типы земной коры. Движение вещества мантии по мантийным каналам в недрах Земли. Направление и перемещение литосферных плит.

    презентация [1,7 M], добавлен 12.01.2011

  • Модель строения Земли. Работы австралийского сейсмолога К.Е. Буллена. Состав верхней мантии и мантии ниже границы 670 км. Современное строение Земли. Примеры распределения скоростных аномалий в мантии по данным сейсмической томографии на разных глубинах.

    презентация [4,4 M], добавлен 20.04.2017

  • Образование Земли согласно современным космологическим представлениям. Модель строения, основные свойства и их параметры, характеризующие все части Земли. Строение и мощность континентальной, океанской, субконтинентальной и субокеанской земной коры.

    реферат [144,7 K], добавлен 22.04.2010

  • Внутреннее строение и история геологического развития Земли, формирование недр, химический состав. Отличие Земли от других планет земной группы. Концепции развития геосферных оболочек и тектоника литосферных плит. Структура и химсостав атмосферы.

    курсовая работа [1,5 M], добавлен 29.04.2011

  • Образование Земли 4,7 млрд. лет назад из рассеянного в протосолнечной системе газового вещества. Состав Земли: железо (34,6%), кислород (29,5%), кремний (15,2%), магний (12,7%). Мощность земной коры. Мировой океан и суша. Объем воды на нашей планете.

    презентация [2,3 M], добавлен 26.01.2012

  • Земля в мировом пространстве, положение Земли в Солнечной системе. Форма, размеры и строение Земли, ее геологическое строение, физические свойства и химический состав. Строение земной коры, тепловой режим планеты. Представление о происхождении Земли.

    реферат [796,3 K], добавлен 13.10.2013

  • Понятие тектоносферы и ее отличие от более глубоких оболочек Земли. Строение и состав земной коры, особенности гранитогнейсового слоя. Строение и состав верхней мантии, понятие сейсмического волновода. Закономерности в строении и развитии тектоносферы.

    реферат [36,6 K], добавлен 31.07.2010

  • Внутреннее строение и история геологического развития Земли, её формирование и дифференциация недр, химический состав. Методы определения внутреннего строения и возраста Земли. Структура и химический состав атмосферы. Циркуляция атмосферы и климат Земли.

    реферат [790,3 K], добавлен 14.03.2011

  • Сферическое строение планеты по Э. Вихерту и Э. Зюссу. Современные программы изучения недр с помощью бурения сверхглубоких скважин и сейсмических волн. Особенности земной коры, литосферы, астеносферы, мантии и земного ядра, гравитационная дифференциация.

    реферат [25,0 K], добавлен 20.05.2010

  • Фигура Земли как материального тела. Действие силы тяготения и центробежной силы. Внутреннее строение Земли. Распределение масс в земной коре. Системы координат, высот и их применение в геодезии. Азимуты, румбы, дирекционные углы и зависимости между ними.

    реферат [13,4 M], добавлен 11.10.2013

  • Общая картина внутреннего строения Земли. Состав вещества земного ядра. Блоки земной коры. Литосфера и астеносфера. Строение фундамента Восточно-Европейской платформы. Краткая характеристика глубинного строения территории Беларуси и сопредельных областей.

    контрольная работа [851,8 K], добавлен 28.07.2013

  • Особенности строения Земли, свойства ее слоев. Характеристика земной коры и ее значение для людей. Строение мантии и ядра. Понятие горной породы, классификация по способу происхождения. Описание и свойства осадочных, магматических и метаморфических пород.

    презентация [824,1 K], добавлен 04.04.2012

  • Основные оболочки Земли: атмосфера, гидросфера, биосфера, литосфера, пиросфера и центросфера. Состав Земли и ее физическое строение. Геотермический режим Земли и его специфика. Экзогенные и эндогенные процессы и их влияние на твердую поверхность планеты.

    реферат [24,1 K], добавлен 08.02.2011

  • Физические и химические свойства нефти. Теория возникновения газа. Применение продуктов крекинга. Внутреннее строение Земли. Геодинамические закономерности относительного изменения запасов и физико-химических свойств нефти различных месторождений.

    дипломная работа [3,8 M], добавлен 06.04.2014

  • Ранняя эволюция Земли и взаимосвязь данной проблемы с теорией происхождения жизни на планете. Этапы зарождения и развития земных оболочек. Попытки прогнозирования дальнейшего развития Земли. Строение земной коры в разные эпохи существования планеты.

    реферат [18,2 K], добавлен 23.04.2010

  • Современные представления о внутреннем строении, химических элементах и составе Земли. Особенности строения континентальной и океанической типов коры. Ядро и его строение. Мантия и астеносфера, особенности их строения и положение в разрезе Земли.

    контрольная работа [452,5 K], добавлен 17.02.2016

  • Особенности состава и строения атмосферы Земли. Эволюция земной атмосферы, процесс ее формирования на протяжении веков. Появление водной среды как начало геологической истории Земли. Содержание и происхождение примесей в атмосфере, их химический состав.

    реферат [17,4 K], добавлен 19.11.2009

  • Внутреннее строение Земли. Неровности земной поверхности. Горные породы: механические сочетания разных минералов. Классификация горных пород по происхождению. Свойства горных пород. Полезные ископаемые - горные породы и минералы, используемые человеком.

    презентация [6,3 M], добавлен 23.10.2010

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.