СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ: земная кора, мантия, ядро, их состав, свойства

Планета Земля состоит из тонкой твердой оболочки, окруженной мощной водной гидросферой и плотной атмосферой. Недра Земли разделяются на три основных области: кору, мантию и ядро.

Земная кора— внешняя твёрдая оболочка Земли (геосфера), часть литосферы, толщиной от 5 км (под океаном) до 75 км (под материками). В ней различают 3 слоя – осадочный, гранитный, базальтовый.

Ниже коры находится мантия, которая отличается составом и физическими свойствами — она более плотная, содержит в основном тугоплавкие элементы.

Разделяет кору и мантию граница Мохоровичича, или слой Мохо, где происходит резкое увеличение скорости сейсмических волн.

Ма́нтия— часть Земли (геосфера), расположенная непосредственно под корой и выше ядра. В мантии находится большая часть вещества Земли. Земная мантия находится в диапазоне от 30 до 2900 км от земной коры.

Различают континентальную (материковую) и океаническую земную кору, а также ее переходные типы: субконтинентальную и субокеаническую земную кору.

Ядро́ Земли́— центральная, наиболее глубокая часть планеты Земля, геосфера, находящаяся под мантией Земли и, предположительно, состоящая из железо-никелевого сплава. Средний радиус сферы — 3,5 тыс. км. Разделяется на твердое внутреннее ядро радиусом около 1300 км и жидкое внешнее ядро радиусом около 2200 км, между которыми иногда выделяется переходная зона. Температура в центре ядра Земли достигает 5000 ⁰С, плотность около 12,5 т/м³, давление до 361 ГПа. Масса ядра — 1,932×1024 кг.

6 ЭНЕРГИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Поверхность земной коры формируется под воздействием направленных противоположно друг другу процессов:

• эндогенных, включающих в себя тектонические и магматические процессы, которые ведут к вертикальным перемещениям в земной коре — поднятиям и опусканиям, т. е. создают «неровности» рельефа;

• экзогенных, вызывающих денудацию (выполаживание, выравни­вание) рельефа за счет выветривания, эрозии различных видов и гравитационных сил; • седиментационных (осадконакопление), как «заполняющих» осадками все созданные при эндогенезе неровности.

Эндогенные процессы - геологические процессы, связанные с энергией, возникающей в недрах твёрдой Земли.

Эндогенные процессы – это процессы, которые используют источники энергетических процессов протекающих внутри тела земли (распад радиоактивных веществ; механические напряжения внутри тела земли; переход вещества из одного агрегатного состояния в другое). Результатом совокупного действия этих процессов является формирование крупных форм рельефа (горные массивы, океанические впадины, вулканические конусы и др.)

К Эндогенным процессам относятся:

- Тектонические движения земной коры,

- Магматизм,

-Метаморфизм горных пород,

-Сейсмическая активность.

Главными источниками энергии Э. п. являются тепло и перераспределение материала в недрах Земли по плотности (гравитационная дифференциация).

Глубинное тепло Земли имеет преимущественно радиоактивное происхождение. Непрерывная генерация тепла в недрах Земли ведёт к образованию потока его к поверхности.

Экзогенные процессы - геологические процессы, обусловленные внешними по отношению к Земле источниками энергии (преимущественно солнечное излучение) в сочетании с силой тяжести. Э.п. протекают на поверхности и в приповерхностной зоне земной коры в форме механического и физико-химического её взаимодействия с гидросферой и атмосферой.

Экзогенные процессы - выветривание, геологическая деятельность ветра (эоловые процессы), проточных поверхностных и подземных вод (эрозия-размывание, денудация-обнажение), озёр и болот, вод морей и океанов (абразия-разрушительная деятельность моря), ледников (экзарация-выпахивание).

Главные формы проявления Э. п. на поверхности Земли: разрушение горных пород и химическое преобразование слагающих их минералов (физическое, химическое, органическое выветривание); удаление и перенос разрыхлённых и растворимых продуктов разрушения горных пород водой, ветром и ледниками; отложение (аккумуляция) этих продуктов в виде осадков на суше или на дне водных бассейнов и постепенное их преобразование в осадочные горные породы (Седиментогенез, Диагенез, Катагенез).

МАГМАТИЗМ ЭФФУЗИВНЫЙ

Эффузивным магматизмом или вулканизмом называется выброс на земную поверхность различных магматических продуктов. Последние подразделяются на газообразные, жидкие и твердые.

В развитии вулкана можно выделить три стадии:

1. Субвулканическая – на протяжении ее идут процессы формирования магматического очага и дифференциации магмы. Считается, что большая часть крупных магматических очагов формируется на глубинах 40 – 150 км. Отсюда магма поступает в сравнительно небольшие вторичные очаги, расположенные на небольших глубинах и непосредственно питающие извергающийся вулкан.

2. Собственно вулканическая (стадия извержения) – характеризуется выбросом твердых, жидких и газообразных вулканических продуктов на поверхность.

3. Поствулканическая (фумарольная) – происходит выход только газообразных продуктов.

В зависимости от характера подводящего канала вулканы можно разделить на два типа.

1. Трещинные вулканы изливают, как правило, очень жидкую и подвижную лаву, в силу чего извержения обычно носят спокойный характер. Растекающаяся по поверхности лава создает обширные уплощенные покровы.

2. Вулканы центрального типа в своей осевой части имеют цилиндрический канал (жерло), соединяющий кратер с магматическим очагом. Иногда на склонах вулканического конуса возникают паразитические кратеры.

МАГМАТИЗМ ИНТРУЗИВНЫЙ

Часто магма не достигает поверхности Земли и застывает (кристаллизуется) на различной глубине, образуя тела неодинаковой формы и размера – интрузивы. При застывании интрузивное тело взаимодействует с вмещающими его породами и приводит к их изменению, выражающемуся по-разному: от слабого уплотнения и дегидрации (отщепление воды) их до полной перекристаллизации. Такая зона изменения вмещающих пород шириной от нескольких см до нескольких км называется зоной экзоконтакта (внешнего контакта). С другой стороны, внедрившаяся магма, а именно краевые части ее, остывают быстрее, чем остальная часть, ассимилируют вмещающие породы, в результате чего изменяется состав магмы, ее структура и текстура. Эта зона измененных магматических пород в краевой части интрузива называется зоной эндоконтакта (внутренней зоной).

В зависимости от глубины застывания (кристаллизации) магмы, интрузивные массивы подразделяются на приповерхностные (или субвулканические) – глубина застывания не более нескольких сотен метров; среднеглубинные (гипабиссальные) – глубина формирования 1-1,5 км, и глубинные(абиссальные), застывшие глубже 1,5 км.

Глубинные породы, застывавшие медленно, обладают полнокристаллической структурой (диорит, гранит), а приповерхностные, в которых падение температуры шло быстро, - порфировой, похожей на структуру вулканических пород

Рис. 4. Формы интрузивных тел:

1 – дайки, 2- штоки, 3- батолит, 4 –гарполит, 5 – многоярусные силы, 6 –лополит,

7 – лакколит, 8 – магматический диапир, 9 – факолит, 10 - бисмалит

Крупные гранитные интрузии площадью во многие стони и тысячи км2 называются батолитами. Вертикальная мощность батолитов всего несколько км.

Силлы – (пластовые интрузии), залегающие согласно с пластами вмещающих их пород.Лополит – чашеобразный интрузив, залегающий в синклинориях и мульдах. В диаметре – до десятков км, мощность–многие сотни м.

Лакколит - грибообразное тело.

Факолит – линзовидное тело, располагающееся в сводах антиклиналей согдасно с вмещающими породами.

Гарполит– серпообразный интрузив, по-существу разновидность факолита.

Хонолит – интрузив неправильной формы, образовавшийся в ослабленной зоне вмещающих пород, как бы заполняющий «пустоты» в толще.

Бисмалит– грибообразный интрузив, похожий на лакколит, но осложненный цилиндрическим горстообразным поднятием, как бы штампом, в центральной части.

МЕТАМОРФИЗМ

Метаморфизм - это процесс преобразования горных пород под воздействием эндогенных факторов при сохранении твердого состояния.

Процессу метаморфизма подвергаются все группы пород - магматические, осадочные и метаморфические, если они попадают в новые условия.

Метаморфизм (изменение) приводит к образованию в толще земной коры метаморфических горных пород.

Факторы,вызывающие эти изменения:

- близость застывающего магматического тела и связанное с этим прогревание метаморфизуемой породы;

- воздействие отходящих от этого тела активных химических соединений, в первую очередь различных водных растворов (контактный метаморфизм),

- погружение породы в толщу земной коры, где на неё действуют факторы регионального метаморфизма — высокие температуры и давления.

Типичными метаморфическими Г. п. являются разные по составу кристаллические сланцы, гнейсы.

Локальный метаморфизм – преобразования горных пород, проявляющиеся локально (минеральный состав не меняется, меняется только химический состав).

Выделяется контактовый, дислокационный и импактный локальные метаморфизмы.

Контактовый метаморфизм – изменения вмещающих горных пород обусловлены тепловым и химическим воздействием на них интрузивных магматических масс. Различают нормальный контактовый метаморфизм и контактово-метасоматический.

Дислокационный метаморфизм(синонимы – динамометаморфизм, катакластический, динамический, кинетический) – структурное и минеральное преобразование горных пород под воздействием тектонических сил при складкообразовании или в зонах разрывных нарушений без участия магмы.

Импактный(или ударный) метаморфизм– изменения в горных породах обусловлены прохождением мощной ударной (метеоритной) волны. Единственным природным процессом, при котором может проявиться этот тип метаморфизма, является падение крупных метеоритов.

Региональный метаморфизм - преобразование минерального состава и структуры горных пород под воздействием температуры, давления и глубинных растворов, проявленное на обширных площадях.

Меняется минеральный состав, а физический не меняется. Под действием давления происходит преобразование (кристаллизация). Глина>слюда, известняк>мрамор.

В зависимости от глубины (давления) и температуры выделяют фации регионального метаморфизма:

цеолитовую низких температур (100-300°С) и низких давлений с развитием минералов группы цеолитов наряду с глинистыми минералами, карбонатами, кварцем и др.;

зелёных сланцев (250-450°С), представленную широким развитием хлоритов, серпентина, талька, эпидота, серицита, кварца, карбонатов;

эпидотовых амфиболитов (400-500°С) с характерным присутствием роговой обманки с эпидотом;

амфиболитовую (450-700°С) с обычными роговообманково-плагиоклазовыми ассоциациями;

гранулитовую (650-1000°), устанавливаемую по присутствию ряда минеральных ассоциаций (силлиманит + ортоклаз; гиперстен + ортоклаз; силлиманит + гиперстен и др.).

Кроме этого нормального ряда фаций метаморфизма, характеризующихся увеличением температуры с глубиной, выделяется глаукофановая фация (голубых сланцев), характеризующаяся сравнительно низкими температурами (300-450°С) и высокими давлениями и представленная специфическими минералами высоких давлений (глаукофан, лавсонит и др.).

Строгих общих границ между фациями регионального метаморфизма нет.

Термальный метаморфизм. Быстрое остывание, экзо- эндо-контакты. Много летучих минералов, идут гидротермальные процессы.

ТЕКТОНИЧЕСКИЕ ДВИЖЕНИЯ

• колебательные - медленные поднятия и опуска­ния отдельных участков земной коры и приводящие к образованию крупных поднятий и прогибов;

• складчатые, обусловливающие смятие горизонтальных слоев земной коры в складки,

• разрывные, приводящие к разрывам слоев и массивов горных пород.

Колебательные движения. Отдельные участки земной коры на протяжении многих столетий поднимаются, другие в это же время опускаются. Со временем поднятие сменяется опусканием, и наоборот. Колебательные движения не изменяют первоначальных условий залегания горных пород, от них зависит положение границ между сушей и морями, обмеление и усиление размывающей деятельности рек, формирование рельефа.

Дислокация – нарушение форм первичного залегания горных пород, вызванное тектоническими движениями земной коры, другими экзогенными и эндогенными процессами.

Складчатые движения.

Осадочные породы первоначально залегают горизонтально. Складчатые текто­нические движения выводят пласты из горизонтального положения, придают им наклон или сминают в складки. Все формы складчатых дислокаций образуются без разрыва сплошюсти слоев (пластов).

Моноклиналь является самой простой формой нарушения первона­чального залегания пород и выражается в общем наклоне слоев в одну сторону (рис. 1а).

Флексура — коленоподобная складка, образующаяся при смеще­нии одной части толщи пород относительно другой без разрыва сплошности (рис. 1б).

Антиклиналь— складка, обращенная своей вершиной вверх (рис. 1в),

Синклиналь— складка с вершиной, обращенной вниз (рис. 1г). Бока складок называют крыльями, вершины—замком, а внутреннюю часть — ядром.

Рис. 1. Складчатые дислокации:

а — моноклиналь; 6—флексура; в—антиклиналь; г — синклиналь;

К –-крылья; О — ось складок; П-поверхность земли

Разрывные движения.

В результате интенсивных тектонических движений могут происходить разрывы сплошности пластов. Разорванные части пластов смещаются относительно друг друга. Смещение происходит по плоскости разрыва, которая проявляется в виде трещины.

Сбрособразуется в результате опускания одной части толщи отно­сительно другой (рис. 2, а).

Если при разрыве происходит поднятие, то образуется взброс(рис. 2, в).

Иногда на одном участке образуется несколько разрывов. В этом случае возникают ступенчатые сбросы (иливзбросы) (рис. 2, б).

Грабенвозникает, когда участок земной коры опускается между двумя крупными разрывами (рис. 2, д). Таким путем, например, образовалось озеро Байкал.

Горст—форма, обратная грабену (рис. 2, е).

Надвигв отличие от предыдущих форм разрывных дислокаций возникает при смещении толщ в горизонтальной или сравнительно наклонной плоскости (рис. 2, г). В результате надвига молодые отложения могут быть сверху перекрыты породами более древнего возраста.

Р и с . 2. Разрывные дислокации:

а — сброс; б — ступенчатый сброс; в — взброс; г — надвиг; д — грабен; е — горст;

1 — неподвижная часть толщи; 2 — смещенная часть; П — поверхность земли;

р — разрыв слоев

ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ

Землетрясенияминазываются быстрые толчки земной поверхности, вызываемые сериями колебаний, проходящими через породы Земли.

На поверхности землетрясения проявляются в виде подземных толчков, направленных либо вертикально вверх, либо распространяющимися субгоризонтально. Во время сейсмического толчка вещество планеты подвергается упругим деформациям двух видов: изменяется объем вещества и его форма:

- Изменения объема, вызванные прямолинейным поступательно-возвратным движение частиц, проявляются в виде продольных (первичных) волн (когда слои горных пород то мгновенно увеличиваются по мощности, то сокращаются).

- Изменения формы вещества связаны с изменением объема и вызваны колебаниями, направленными перпендикулярно к направлению продольных волн. Такого рода колебания проявляются в виде поперечных (вторичных) волн, которые распространяются только в твердых телах и обладают почти вдвое более низкой скоростью движения, чем продольные волны. Кроме того, во время землетрясения распространяются еще и поверхностные (длинные) волны, движущиеся вдоль земной поверхности.

Место возникновения сейсмических волн в глуби Земли называется гипоцентромземлетрясения (очагом). Проекция гипоцентра на земную поверхность называется эпицентромземлетрясения (точка на поверхности земли).

По глубине расположения гипоцентра землетрясения бывают:

1. Мелкофокусные – очаг лежит не глубже 60 км.

2. Промежуточные – глубина залегания очага 60 – 150 км.

3. Глубокофокусные – очаг расположен глубже 150 км .

По происхождению землетрясения делятся на:

1. Тектонические – обусловлены мгновенной разрядкой напряжений в слоях горных пород. Чаще всего это происходит при подвижках в тектонических разломах. К этому типу относятся все катастрофические землетрясения, охватывающие огромные площади (в миллионы квадратных километров).

2. Вулканические – связаны с давлением поднимающейся магмы; наблюдаются при взрывных извержениях. В отдельных же случаях сила таких землетрясений может быть огромна – при извержении вулкана Кракатау (Зондские острова) в 1883 г. взрыв уничтожил половину вулкана, а сотрясение при этом причинило большие разрушения на островах Ява, Суматра, Калимантан;

3. Экзогенные(обвальные) – происходят при обрушении кровли карстовых пустот, падении метеоритов и т.д.

4. Техногенные – обусловленные деятельностью человека (заполнение водохранилищ, взрывы и др.).

В течение года на Земле бывает около 100 000 землетрясений, или около 300 в сутки.

Сила землетрясений определяется по 12-балльной шкале. Одним баллом обозначают самое слабое землетрясение, самые сильные, в 10—12 баллов, имеют катастрофические последствия. Землетрясения регистрируются специальными приборами – сейсмографами. Наука, изучающая причины землетрясений, их последствия, связь землетрясений с тектоническими процессами и возможность их предсказания, называется сейсмологией.

Одной из основных задач сейсмологии является предсказание землетрясений, т. е. прогноз – где, когда и какой силы произойдет землетрясение.

Сейсмическое районирование – деление территории на районы по их сейсмической активности, оценка и отображение на картах потенциальной сейсмической опасности, которую необходимо учитывать при сейсмостойком строительстве.

В России сильные землетрясения возможны в Прибайкалье, на Камчатке, на Курильских островах, в Южной Сибири.

В мире выделяют Тихоокеанский сейсмический пояс, окружающий Тихий океан, и Средиземноморский, проходящий от Атлантического океана через Центральную Азию до Тихого.

Активный сейсмический пояс, проходящий через Восточную Африку, Красное море, Тянь-Шань, котловину Байкала, Становой хребет, значительно моложе.

ВЫВЕТРИВАНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД

Выветриванием называется совокупность процессов физического и химического разрушения горных пород и минералов. Выделяют два главных типа выветривания: физическое и химическое.

1. ФИЗИЧЕСКОЕ ВЫВЕТРИВАНИЕведет к последовательному дроблению горных пород на все более мелкие обломки.

А) термическое выветривание происходит в результате резких суточных перепадов температуры, ведущих к расширению пород при нагреве и сжатию при охлаждении. На интенсивность разрушения горных пород влияют:

- величина суточного перепада температуры;

- минеральный состав горных пород;

- окраска горных пород;

- размер слагающих горные породы минеральных зерен.

Наиболее интенсивно температурное выветривание идет на обнаженных высокогорных вершинах и склонах, а также в зоне пустынь, где, в условиях низкой влажности и отсутствия растительности, суточный перепад температур на поверхности горных пород может превышать 60° С. При этом наблюдается процесс десквамации (шелушения) скальных выступов, выражающийся в послойном отделении параллельных поверхности выступа чешуй и пластин горных пород.

Б) Механическое выветривание осуществляется замерзающей водой, а также живыми организмами и новообразующимися минеральными кристаллами. Максимально значение замерзающей в порах и трещинах горных пород воды, которая при этом увеличивается в объеме на 9 - 10% и расклинивает породу на отдельные обломки. Такое выветривание называют морозным. Оно наиболее активно при частых (суточных) переходах температуры через 0 °С, наблюдается в высоких и умеренных широтах и выше снеговой границы в горах. Расклинивающее воздействие на горные породы оказывают также корни растений, роющие животные.

2. ХИМИЧЕСКОЕ ВЫВЕТРИВАНИЕведет к изменению минерального состава горных пород или полному их растворению. Важнейшими факторами здесь выступают вода, а также содержащиеся в ней кислород, угольная и органические кислоты.

А) Гидролиз имеет особое значение при выветривании минералов класса силикатов и алюмосиликатов, когда в результате воздействия содержащей углекислоту воды возникают новые, более устойчивые к создавшимся условиям соединения, часть из которых может остаться на месте, а часть будет вынесена водой. При этом кристаллическая решетка минералов перестраивается или замещается новой. Таким путем идет последовательное разложение полевых шпатов в гидрослюды и в каолинит.

Б) Окисление наиболее активно проявляется в тех минералах, которые содержат закисные соединения железа, марганца и других металлов. Например, в кислой среде происходит последовательное замещение сульфидов сульфатами, а затем окислами и гидроокислами.

В) Гидратация заключается в образовании новых минералов за счет присоединения воды к исходным минералам.

Г) Растворение интенсивнее всего идет в осадочных породах хлоридного, сульфатного и карбонатного состава.

В результате выветривания на земной поверхности формируется особый генетический тип отложений – элювий - слой рыхлых неперемещенных продуктов выветривания.

КОРОЙ ВЫВЕТРИВАНИЯназывают совокупность элювиальных образований верхней части земной коры. Формирование мощных кор выветривания происходит за длительный промежуток времени на сложенных полиминеральными магматическими и метаморфическими породами равнинных территориях во влажном и жарком климате, способствующем бурному развитию растительности.

ЭОЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

Эоловые процессы наиболее активно протекают при большой скорости ветра, наличии на земной поверхности рыхлых сухих мелкодисперсных горных пород, слабом развитии или отсутствии растительности.

Разрушительная работа ветра осуществляется двумя путями:

1) Дефляция – выдувание частиц рыхлых пород воздушными струями.

а) бороздовая (в трещинах, линейно вытянутых углублениях);

б) плоскостная (сдувание с большой площади).

2) Корразия – разрушение горных пород путем истирания их твердыми частицами, переносимыми ветром. Лежащие на поверхности валуны и гальки превращаются в эоловые многогранники, обычно имеющие форму трехгранной призмы.

В результате ветровой эрозии возникают формы рельефа:

- отрицательные (котловины выдувания, эоловые борозды и ниши);

- положительные (эоловые столбы, иглы, обелиски).

Ветровой перенососуществляется волочением или перекатыванием крупных обломков по поверхности, скачкообразным перемещением крупного песка, переносом мелкого песка и пыли во взвешенном состоянии.

Ветровая аккумуляцияведет к накоплению эоловых отложений песчаного, алевритового, реже глинистого состава. Преобладающим минералом является устойчивый к механическому воздействию кварц.

Эоловые наносы образуют разной формы и размеров бугры, у которых наветренный склон пологий, а подветренный крутой.

В результате геологической деятельности ветра (дефляция- выдувание, перенос; корразия – обтачивание; аккумуляция - накопление), формируются разные формы рельефа.

Формы эолового рельефа. Наиболее распространены аккумулятивные и аккумулятивно-дефляционные формы, образующиеся в результате перемещения и отложения ветром песчаных частиц, а также выработанные (дефляционные) формы, возникающие за счет выдувания рыхлых продуктов выветривания.

Наиболее распространенными эоловыми формами являются дюны и барханы.

Барханы- подвижные аккумулятивно-дефляционные формы рельефа пустынь, представляющие собой серповидные в плане крупные скопления песков, возникают на открытых равнинных территориях при постоянном направлении ветра. В плане барханы имеют форму полумесяца, «рога» которого вытянуты по ветру.

Дюны - подвижные аккумулятивно-дефляционные песчаные форма рельефа внепустынных областей. В отличие от развитых в пустынях барханов, у дюн «рога» расположены на наветренной стороне, имеют овальную в плане форму, округлую вершину, высоту до нескольких десятков метров.

Менее распространены корразийные (точнее дефляционно-корразийные, поскольку эти процессы действуют совместно)формы эолового рельефа, возникающие под воздействием динамических ударов ветра и, особенно, под действием ударов мелких частиц, переносимых ветром в ветропесчаном потоке.

Дюны или барханы часто группируются в гряды. Поверхность песчаных насыпей покрыта более мелкими эоловыми формами – знаками ряби, подобными крошечным дюнам.