Земля – Планета солнечной системы

Земля – Планета солнечной системы

1. Строение, состав, свойства и ближайшее будущее Земли.

2. Эндогенные и экзогенные геологические процессы.

1. строение, состав, свойства и ближайшее будущее Земли

Земля – третья планета от ближайшей к нам звезды Солнца. Возникла 4,6 млрд лет назад в результате концентрации вещества холодного газопылевого облака, окружающего эту звезду. Форма Земли неправильно шарообразная – геоид, состоящий из следующих геосфер (оболочек).

Ядро находится в центре планеты, имеет железоникелевый состав, обладает магнитными свойствами. Состоит из трёх слоёв: внутреннего твёрдого; переходного и внешнего расплавленожидкого (2920-4980 км) по твёрдости близкого к стали. Предполагают, что температура в центре Земли 5000 °С, давление 3,6 млн атмосфер, плотность около 12,5 т/м³.

Мантия (с греч. – покрывало) имеет толщину от 2900 до 8 км. Составляет 83 % объёма планеты (без атмосферы) и 67 % её массы. Состоит из трёх слоёв: нижнего, расположенного на глубинах до 2900 км; пере­ходного – 900-400 км и верх­него (астеносфера) – 400-8 км. Температура астеносферы (с греч. – слабый) 2000-2500 °С, благодаря ей и высокому давлению вещество находится в пластичном состоянии в виде магмы (с греч. – густая мазь) – силикатного расплава, включающего различные газы и водяной пар. С астеносферой связаны процессы магматизма и метаморфизма, а также сейсмические и тектонические явления. Из магмы образуются первичные минералы и магматические горные породы. При извержении вулканов магма, излившаяся на поверхность Земли, теряет летучие вещества, затвердевает и в таком виде называется лавой (с итал. – затопляю).

Земная кора – наружная твёрдая оболочка планеты мощностью от 70 до 5 км, составляющая 1,5 % объёма Земли (без атмосферы). Земную кору вместе с астеносферой называют литосферой – каменной оболочкой планеты. Образована она разнообразными минералами и горными породами. Минерал (с лат. – руда) это природное тело однородное по химическому составу и физическим свойствам, возникающее в результате физико-химических процессов в глубинах литосферы и на её поверхности. Горная порода, или просто порода, это природное тело, состоящее из минералов. Горные породы формируют три слоя земной коры: базальтовый (мощность 30-5 км), гранитный (наибольшая мощность 50-70 км; под океанами отсутствует), осадочный (мощность 15-0 км). Оказавшись близко к поверхности Земли, где подвергаются воздействию перепадов температуры, водных растворов, газов и организмов, породы разрушаются (выветриваются) образуя кору выветривания толщиной до 800 м.

Химический состав земной коры, связан с определённым строением её атомов. Преобладают лёгкие химические элементы (совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра и одинаковым числом электронов в оболочке), занимающие начальные ячейки таблицы Менделеева с чётными порядковыми номерами и с чётными атомными массами. В составе земной коры до глубины 16 км преобладают (в кларках – весовых процентах): кислород – 47; кремний – 30; алюминий – 8; железо – 5; кальций, калий и натрий – по 3; магний – 2. Водород и титан составляют десятые доли процента; углерод, фосфор, сера и другие – сотые и менее долей процента.

Химические элементы земной коры находятся в 4-х формах: магме, минералах и горных породах, живом веществе и рассеянии. Элементы, имеющиеся в земной коре в ничтожном количестве, называют «редкими» (рассеянными). Некоторые из них в отдельных местах образуют скопления (месторождения).

Гидросфера – оболочка Земли, состоящая из воды, которая находится в 3-х фазовых состояниях: твёрдом (лёд), жидком и газооб­разном (пар). Объём её 1,5 млрд км³ или около 0,14 % объёма планеты. В ней преобладают кислорода и водоро­да, на долю которых приходится 97 %, а на остальные химические эле­менты – всего 3 %. Выделяют тесно связанные части гидросферы – наземную и подземную.

Наземная гидросфера не образует сплошной водной обо­лочки вокруг планеты. Она занимает 71 % её поверхности и имеет среднюю глубину 4 км. Объём воды в Мировом океане более 1370 млн км³, в ледниках – 24; в озёрах – 0,280; в педосфере – 0,085; в атмосфере 0,014, в реках 0,001 млн км³. Наземная гидросфера является одним из «лёгких» планеты, потому что её фи­топланктон производит почти половину атмосферного кислорода.

Подземная гидросфера содержит воды́ около 60 млн. км³. Сверху она ограничена поверхностью земной коры, а нижняя её граница может достигать глубин 100 км. Состояние, структура и свойства подземной воды меняются по мере изменения температуры и давления в недрах. Это является основанием для выделения нескольких зон подземной гидросферы. Из них наиболее изучены зоны аэрации, многолетней мерзлоты и на­сыщения.

Зона аэрации охватывает верхние слои литосферы от днев­ной поверхности до уровня грунтовых вод – первого от поверхности водоносного горизонта. Мощность зоны аэрации изменяется от долей метра до 100 м и более, что обусловлено глубиной залегания водонепроницаемых пород, рельефом мест­ности, климатическими условиями и пр. Она может отсутствовать на обширных площадях. На таких участках подземные воды достигают поверхности земли, образуя заболоченные земли и болота. В зоне аэрации пустоты по­род обычно заполнены воздухом и парами воды, а также прочно-, рыхлосвязанной и капиллярной водой. Весной в пе­риод таяния снега или во время выпадения интенсивных дождей в зоне аэрации образуется свободная (гравитационная) вода.

Зона многолетней мерзлоты отличается преиму­щественным распространением подземных вод в твёрдом виде. Она охватывает обширные северные территории Евразии и Америки, Антарк­тиду, а также высокогорья. Мощность мерзлой зоны колеблется от 0 м до 1 км и более, а температура – от 0 до –15 °С. Кроме воды в твёрдом виде здесь встречаются пар и жидкие высокоминерализованные воды, имеющие отрицательную темпера­туру.

Зона насыщения (жидких вод) распространена повсе­местно в рыхлых породах ниже уровня грунтовых вод и охватывает почти всю континентальную литосферу. Сверху зоны насыщения располагаются зона аэрации или зона многолетней мерзлоты. Нижняя граница зоны насыщения (глубина залегания критической температуры воды 374-450 °С) зависит от строения земной коры. В регионах вулканической активности она лежит на глубине 8-10 км, в областях докембрийской склад­чатости достигает 30-35 км и более. С глубины 1,5 км физи­чески связанная вода переходит в подвижное состояние. В нижних частях зоны насыщения, где температура превышает 200-300 °С, вода остаётся лишь в кристаллической решётке мине­ралов.

Атмосфера – внешняя газовая оболочка Земли (верхняя граница не определена, нижняя – ограниченна земной корой и гидросферой) состоит из следующих слоёв: 1) тропосфера (до высоты 8-15 км); 2) стратосфера (от 8-15 до 50-55 км, малая турбулентность, ничтожное содержание водного пара, повышенное содержание озона); 3) мезосфера (от 50-55 до 80-85 км, температура снижается до – 90°С); 4) ионосфера (содержит много ионов и свободных электронов); 5) экзосфера (сфера рассеяния, начинающаяся с высоты в несколько сотен километров, из которой быстро движущиеся лёгкие атомы водорода вылетают в космическое пространство). Около 90 % массы атмосферы заключено в тропосфере и состоит из смеси газов с преобладанием азота (78 %) и кислорода (21 %). Большое экологическое значение имеет газ озон (О₃), предохраняющий живые организмы на Земле от влияния губительного ультрафиолетового излучения Солнца.

Биосфера – оболочка жизни на планете, образованная разнообразными организмами. Термин ввел в 1875 г. австрийский геолог Эдуард Зюсс. Учение о биосфере как активной оболочке планеты создал Владимир Иванович Вернадский (1863-1945), который установил, что «… на земной поверхности нет силы, бо­лее постоянно действующей и более могущественной по своим конечным результатам, чем живое вещество».

Компоненты биосферы (основные): 1) живое вещество – совокупность жи­вых организмов (проникает в литосферу примерно на 4 км, в атмосферу – на 10 км; гидросфера обитаема вся); 2) косное вещество (твёрдое, жидкое, газообразное), образуе­мое процессами, в которых организмы не участвуют; 3) биокосное вещество, создаваемое одновре­менно живыми организмами и косным веществом (почти вся вода биосферы, нефть, почва); 4)биогенное вещество, создаваемое и пе­реработанное живыми организмами (ка­менный уголь, известняк, торф и др.). Компо­ненты биосферы постоянно взаимодействуют, обусловливая её функционирование как целостной саморазвивающейся системы.

Жизнь появилась на Земле около 3,5 млрд лет назад. С тех пор биосфера значительно изменила атмосферу и прочие абиотические факторы, обусловив количественный рост аэробных организмов, а также формирование озонового слоя, который вместе с магнитным полем Земли предохраняет жизнь от вредной солнечной радиации.

Педосфера (с греч. – почвенная сфера) или почвенный покров планеты. Термин ввёл в 1905 г. Арсений Арсеньевич Ярилов (1868-1948). Педосфера образуется совокупностью почв – самостоятельных органоминеральных природных тел, возникающих на рыхлых поверхностных осадочных породах коры выветривания под воздействием климата, рельефа, организмов со временем. Мощность (толщина) педосферы всего от нескольких сантиметров до 3 м, но экологическое значение важно́ и многогранно. Почву и нижележащие горные породы до глубины 10 м, являющиеся объектом строительной деятельности, называют грунтом. Породы, которые применя­ют для улучшения почв, называют агрономическими рудами.

Основные физические свойства Земли: плотность, сила тяжести, температурный режим, радио­активность, магнетизм, электрические свойства.

Плотность земного вещества составляет в среднем 5,52 г/см³, плотность поверхностных пород – 2,75 г/см³.

Сила тяжести (гравитация) обусловлена действием гравитационных волн. Пространство вокруг Земли, в пределах которого она проявля­ется, называют гравитационным полем. Оно обусловливает сферическую форму планеты и удерживает атмосферу. Сила тяжести убывает с высотой и глубиной от поверхности Земли и возрастает от эква­тора к полюсам.

Магнетизм Земли проявляется в образовании вокруг неё силового поля – магнитосферы, верхняя граница которой часто превышает 90 тыс. км и препятствует поступлению на поверхность планеты потоков заряженных солнечных частиц, опасных для жизни.

Электрические свойства Земли обусловлены тем, что вся она пронизана электрическими токами, которые возникают в результате перемеще­ния вещества ядра планеты и тесно связаны с её магнитным полем.

Температурный режим поверхности планеты определяют 2 источника тепла: Солнце (99,5 %) и недра Земли (0,5 %). Средняя температура на поверхности Земли 14 °C. Из-за неравномерности прогрева дневной поверхности в различных широтах её температурный режим подвержен значительным колебаниям – вековым, годовым, сезонным, суточным. Например, в среднеазиатских пустынях почва летом нагревается до +70 °С, а зимой промерзает до – 30 °С. С глубиной влияние солнечного тепла постепенно исчезает. Поэтому на глубине от 1 до 30 м от поверхности располагается зона постоянных температур. Здесь температура равна среднегодовой температуре данной местности и не зависит от времени года. Ниже с углублением на каждые 100 м температура возрастает примерно на 3 °С. На глубине 7 км она достигает 120, 10 км – 180, 12 км – 220 °С. Источниками внутреннего тепла Земли являются: энергия распада радиоактивных элементов, энергия, освобождающаяся при химических реакциях и тектонических движениях, энергия перехода вещества из одного состояния в другое.

Ближайшее будущее Земли обусловлено колоссальными изменениями литосферы, гидросферы, атмосферы, биосферы и педосферы в течение последних 100-200 лет. Они происходят вследствие разнообразной деятельности человечества, которую называют техногенезом или антропогенными воздействиями. Их подразделяют на аграрные, промышленные, рекреационные, военные. Каждый из них может быть как минимум в двух видах: биоценотическом и геохимическом. Биоценотические антропогенные воздействия заключаются в смене (уничтожении) естественных экологических систем искусственными экосистемами, в том числе агроэкосистемами, а также в различных механических воздействиях на земную кору и почвенный покров, например, машинами, сельскохозяйственными орудиями и т. п. Геохимические антропогенные воздействия вносят изменения в природные круговороты веществ и энергии.

2. Эндогенные и экзогенные геологические процессы

Геологические процессы это последовательная смена состояний и явлений в развитии, изменении строения и состава отдельных участков земной коры. Они неминуемо отражаются в рельефе – совокупности неровностей земной поверхности, разных по происхождению, очертаниям, размерам и возрасту. Геологические процессы в зависимости от осуществляющих их источников энергии бывают эндогенные и эк­зогенные.

Эндогенные геологические процессы это физико-химические преобразования вещества верхней мантии и нижней части земной коры под действием силы тяжести и теплоты радиоактив­ного распада в недрах Земли. Они создали и продолжают создавать магматические и метаморфические породы, формируя из них структуры земной коры и планетарные формы рельефа: 1) континенты (материки) с наиболее крупными неровностями (равнины, низменности, горы и др.); 2) геосинклинальные пояса (переходные зоны); 3) ложе Мирового океана; 4) срединно-океанические хребты. По формам проявления среди эндогенных геологических процессов выделяют магматизм, метаморфизм, сейсмические явления и тектонические движения.

Вещество земной коры твёрдое, несмотря на то, что уже на глубине 60-70 км температура так высока, что любая порода при атмосферном давлении находилась бы в расплавленном состоянии. Однако существующее в недрах давление способствует его нахождению в твёрдом состоянии. Это термодинамическое равновесие установилось в процессе длительного развития Земли. Нарушение его в той или иной части в земной коры вызывает переход твёрдых масс в расплавлено жидкое состояние – магму, сопровождающийся колоссальным увеличением объёма.

Магматизм – эндогенный геологический процесс, со­стоящий из последовательных стадий: образование магмы; внедрение магмы в земную кору, иногда с излиянием на дневную поверхность; остывание магмы с образова­нием первичных минералов и магматических горных пород. В соответствии с условиями остывания магмы этот процесс бывает глубинным (плутонизм) и поверхностным (вулканизм).

Рис. 1. Интрузии в земной коре

При плутонизме магма постепенно остывает. В результате её полной кристаллизации формируются интрузивные (глубинные) магматические породы: гранит, сиенит, диорит, габбро и др., образующие в земной коре разнообразные формы (интрузии – рис. 1).

При вулканизме магма по каналам и тре­щинам выходит на земную поверхность на суше или под водой и, быстро остывая, образует эффузивные магматические породы: липарит, трахит, андезит, базальт и другие в виде лавовых потоков.

Метаморфизм – эндогенный геологический процесс преобразования уже существующих горных пород в глубине земной коры под воздействием высокой темпе­ратуры и давления с участием горячих газов и водных раст­воров. Так образуются метаморфические породы: гнейсы, сланцы, мраморы, кварциты и др.

Сейсмические явления это внезапное сотрясение отдельных участков земной коры под воздействием эндогенных и экзогенных геологических процессов. На суше это землетрясения, на море – моретрясения. Место зарождение первой подвижки земных недр на глубинах от 10 до 700 км называют гипоцентром (очагом) сотрясения, а его вертикальную проекцию на земную поверхность – эпицентром. Из гипоцентра начинают своё стремительное движение в разные стороны сейсмические волны (упругие колебания), которые передаются на сотни и тысячи километров. Их регистрируют на сейс­мограммах, которые получают с помощью приборов сейсмо­графов.

Продолжаются сейсмические явления от доли секунды до нескольких десятков секунд. Силу их оценивают по ГОСТ 6249-52, который основывается на международной шкале MSK-64 (начальные буквы фамилий её создателей Медведева, Шпонхойера, Карника и год её принятия), внешнему проявлению, психологическим ощущениям людей и результатам повреждений на земной поверхности.

Оценка силы землетрясения (ГОСТ 6249-52)

Сотрясения морского дна образуют на водной поверхности гигантские волны цунами высотой до 40 м, передвигающиеся со скоростью 50-1000 км/час.

Тектонические движения земной коры это группа эндогенных геологических процессов, перемещающих отдельные её участки (блоки) от­носительно друг друга.По форме проявленияони бывают колебательными (эпейрогенез) и дислокационными.

Эпейрогенез (с греч. – рождение материков) это очень медленные продолжительные (вековые) вертикальные колебания обширных участков земной коры. Они проявляются, прежде всего, в изменении очертания береговой линии континентов и океа­нов. Трансгрессия – опускание суши и постепенное затопление её морем, регрессия – поднятие суши и отступление моря. Трансгрессия вызывает заболачивание территории и отложение пластов осадочных пород, а регрессия – выветривание, денудацию и аккумуляцию продуктов разрушения.

Участки земной коры состоят из различных форм залегания пород. Те из них, которые сформировались в начале образования земной коры, назы­вают первичными (ненарушенными). Для магматических пород это батолиты, лакколиты, штоки и др. Ненарушенные осадочные породы залегают в виде горизонтальных слоёв.

Дислокационные (нарушающие) тектонические движения изменяют условия и формы первичного залегания горных пород в земной коре. Эти движения формируют дислокации – новые формы залегания слоёв пород, называемые вторичными (нарушенными).Дислокации бывают складчатые и раз­рывные (рис. 2).

Рис. 2. Виды дислокаций

Складчатые дислокации (I): а – антиклинальное залегание пластов; б – синклинальное залегание пластов; в – моноклинальное залегание пластов.

Разрывные дислокации: (II) – горизонтальные смещения пластов: а – сдвиг; б – надвиг: 1 – лежачее крыло; 2 – висячее крыло; в – сбрососдвиг: 1 – висячее крыло; 2 – лежачее крыло. (III) – вертикальные смещения пластов: а – ненарушенный пласт; б – сброс; в – взброс; г – горст; д – грабен.

Тектонические дислокации являются частью орогенических (горообразовательных) процессов. Они сопровождаются магматизмом и метаморфизмом (рис. 3).

Рис. 3

Авлакоген

Экзогенные геологические процессы это физико-химические преобразования минеральных веществ верхней части земной коры и педосферы, перемещение и отложение образовавшихся веществ. По формам проявления среди них выделяют гипергенез, денудацию, седиментацию. Двигателями этих процессов является энергия Сол­нца, сила земного притяжения, энергия движущихся масс воды, льда и воздуха, а также живое вещество. Эти процессы создали и продолжают создавать различные генетические типы континентальных отложений, формируя из них кору выветривания, а также формы рельефа: эрозионные (промоины, овраги, балки, речные долины, блюдца) и аккумулятивные (курганы, кочки, дюны, холмы, бугры, кротовины, муравейники и др.).

Гипергенез – совокупность экзогенных процессов преобразования (выветривания) минералов и пород в верхней части земной коры и педосферы. Направленность и интенсивность этих разнообразных процессов зависят от состава и свойств выветриваемых минералов и пород, солнечного излучения, температурных колебаний, химического воздействия водных растворов, газов атмосферы, воздействия живых организмов и продуктов их жизнедеятельности. В зависимости от преобладания тех или иных факторов выделяют физическое и химическое выветривание.

Физическое выветривание это группа процессов последовательной дезинтеграции (разрушения, дробления) минералов и горных пород без изменения их состава. Виды физического выветривания: термическое и механическое.

Термическое выветривание зависит от: 1) величины суточного перепада температуры; 2) минерального состава горной породы; 3) размера минеральных зёрен, слагающих горную породу; 4) окраски горной породы. Полиминеральные горные породы (граниты, гнейсы) разрушаются быстрее, так как минералы, входящих в их состав, имеют разное объёмное расширение. Быстрее разрушаются крупнокристаллические и тёмноцветные породы, так как они сильнее нагреваются, следовательно, испытывают больший суточный перепад температур. Наиболее интенсивно термическое выветривание происходит в условиях высокогорий и пустынь, где суточный перепад температуры на поверхности пород может превышать 60 °С.

Механическое выветривание осуществляют: 1) замерзающая вода (увеличивается в объёме на 9-10 %, расклинивая породу на отдельные обломки; такое выветривание называют морозным); 2) живые организмы (корни растений и роющие животные; такое выветривание называют биологическим); 3) растущие в пустотах породы новые кристаллы минералов.

В результате процессов физического выветривания образуются рыхлые неокатанные обломки: глыбы → щебень → дресва → песок → пыль. Интенсивность дезинтеграции минералов и горных пород возрастает при продвижении от экватора к полюсам Земли и от подножья гор к их вершинам.

Химическое выветривание это группа процессов не только разрушения, но и преобразования минералов и горных пород. В результате они растворяются, изменяется их состава, образуются новые минералы и горных породы. Факторами этого выветривания являются вода и содержащийся в ней кислород, угольная и органические кислоты. Интенсивность их воздействия увеличивается на раздробленных физическим выветриванием породах, а также в тёплом и влажном климате.

Все типы и виды выветривания обычно совершаются одновременно, только с разной направленностью и интенсивностью в зависимости от особенностей природных факторов выветривания. В северном полушарии Земли с севера на юг располагаются следующие природные (физико-географические) зоны, различающиеся факторами выветривания: арктическая пустынная, тундровая, лесотундровая, таёжная, смешанных и широколиственных лесов, лесостепная, степная, по­лупустынная и пустынная. Наиболее протяжённые лес­ные зоны.

В результате гипергенеза минеральных веществ земной коры образуются две группы продуктов: 1) элювий – генетический тип континентальных отложений, состоящий из несортированных обломков коренных пород, устойчивых к дальнейшему выветриванию, накапливающийся на месте своего образования и формирующий кору выветривания; 2) водорастворимые соли, дальнейшее перемещение которых зависит от климата, рельефа, плотности подстилающих пород, особенностей флоры и фауны.

Денудация (с лат. – обнажение) это совокупность процессов сноса и удаления с возвышенностей продуктов выветривания пород с последующим их накоплением в понижениях рельефа. Осуществляется силами, перемещающимися по земной поверхности (гравитация, вода, ветер, ледники, организмы и пр.). Они действуют избирательно, так как зависят одновременно от энергии воздействующей силы и природных условий (климат, рельеф, свойства исходных пород, особенности флоры и фауны). В результате этого образуются новые различные генетические типы континентальных отложений (коллювий, пролювий, делювий, аллювий, морские, эоловые, морена, флювиогляциальные, лимногляциальные, солифлюкционные), которые формируют из них эрозионные и аккумулятивные формы рельефа.

Седиментация (осадконакопление) это процесс формирования на поверхности земной коры всех видов осадочных пород из подвижных, взвешенных или растворённых в воздушной или водной среде веществ. Поверхность Земли по условиям осадконакопления делят на континентальную и океаническую. Континентальная – отличается возвышенным рельефом, господством процессов денудации, слабым развитием процессов аккумуляции. Поэтому на ней образуются маломощные осадочные породы, занимающие сравнительно небольшие площади. Океаническая поверхность, располагающаяся в низменных участках планетарного рельефа, отличается высокой активностью процесса аккумуляции (накопление рыхлых осадочных пород). Здесь на огромной площади формируются отложения большой мощности. Более 95 % массы осадочных пород, располагающихся в наше время на континентах, сформировалось в древних морях и океанах. В результате тектонических движений земной коры они оказались на суше и на них стали образовываться почвы.

Дата добавления: 2015-08-28