Підручник з Природничих наук. 2 частина. 10 клас. Гільберг - Нова програма

В. 3. ВНУТРІШНЯ БУДОВА ТА ГЕОФІЗИЧНІ ПОЛЯ ЗЕМЛІ

Будова земної кулі й її геофізичних полів — дуже захоплива тема. Вона оповідає нам про те, які небезпеки несуть надра Землі та які скарби вона від нас ховає у своїх глибинах; як захищають нас поля і який вплив вони на нас справляють. Люди мають знати про Землю багато, щоб раціонально користуватися її ресурсами, безпечно отримувати енергію з її внутрішніх сил, запобігати стихійним лихам та вчасно евакуювати людей. І найголовніше — уберегти планету для майбутніх поколінь

ВИ НАВЧИТЕСЯ

Називати: внутрішні шари Землі, геофізичні поля Землі.

Розуміти: як досліджують внутрішні шари Землі.

Описувати: параметри внутрішніх шарів Землі, властивості геофізичних полів.

Усвідомлювати: вплив магнітного та гравітаційного полів на живі організми; техногенний вплив на геофізичні поля

ПРИГАДАЙТЕ

Гравітаційну та електромагнітну взаємодії (Б.3)

ПОДОРОЖ ДО ЦЕНТРА ЗЕМЛІ

Ви напевно прочитали книгу Жуля Верна з такою назвою (мал. 3.1). Це науково-фантастичний пригодницький роман, написаний у 1864 р. Джерелом натхнення для автора, без сумніву, став інтерес тогочасної широкої публіки до загадок геології, палеонтології, теорії еволюції. Деякі з цих загадок не розгадані й до сьогодення. Учені до цього часу не знають достеменно: земне ядро утворилося під час зародження планети чи з’явилося згодом у процесі еволюції. Які фізичні й хімічні властивості має речовина ядра? Проте й багато що їм вдалося дізнатися. Як їм це вдалося? Що ми знаємо про внутрішню будову Землі — з’ясуємо.

Мал. 3.1. «Подорож до центра Землі» Жюля Верна

Якби вам вдалося прокопати тунель прямо крізь центр Землі, то теоретично, у результаті вільного падіння, ви змогли б досягти центра планети всього за 18 хв. Подорожуючи до центра Землі можна натрапити на кристали розміром з міста, моря рідкого металу й інші чудеса. Природно, це неможливо: подібний тунель мав би витримувати такі само високі температури, як на поверхні Сонця, і тиск у 3,5 млн разів вищий, ніж на поверхні Землі.

Наукове розуміння внутрішньої будови Землі базується на вивченні рельєфу на поверхні й дні океанів, дослідженні гірських порід у відслоненнях, зразках, піднятих на поверхню з великих глибин в результаті вулканічної активності, аналізі сейсмічних хвиль, які проходять крізь Землю, вимірюванні гравітації областей Землі та експериментах із кристалічними твердими тілами за тисків і температур, характерних для глибоких надр Землі.

Залежно від того, які властивості досліджуються: механічні чи хімічні — розрізняють два підходи до будови Землі. Механічно вона може бути розділена на літосферу, астеносферу, мезосферу, зовнішнє ядро та внутрішнє ядро. Хімічно Землю можна розділити на земну кору, верхню мантію, нижню мантію, зовнішнє ядро та внутрішнє ядро.

Загалом у внутрішній будові Землі розрізняють три основні складники: земна кора, мантія та ядро (мал. 3.2).

Мал. 3.2. Що приховує всередині себе Земля

Земна кора — тверда оболонка Землі завтовшки від 5 км під океанами до 70 км під гірськими масивами материків (мал. 3.3). Верхній шар земної кори складається з пухких осадових відкладів. Через це він дістав назву осадового. Наступний під осадовим шар утворений із кристалічних гірських порід, близьких за складом до гранітів. Тому його називають гранітним. Найнижчий шар складається переважно з порід, близьких за своїми властивостями до базальтів. Його називають базальтовим. Земна кора поділяється на материкову та океанічну.

Мал. 3.3. Земна кора

Мантія (від грец. mantion — широка довга одежа у вигляді плаща) — оболонка Землі, що розташована під земною корою та простягається приблизно до глибини 2900 км, тобто до ядра. Становить 83 % об’єму і 66 % загальної маси планети.

Земну кору і тверду частину мантії, що її підстилає, називають літосферою (кам’яною оболонкою). Пересічна потужність літосфери в океанах — 70-80 км, на континентах — 120-140 км. Під терміном «потужність» літосфери в геології мається на увазі її товщина

Підібратися до мантії вченим ще не вдалося. Ніяке буріння поки ще не дозволило наблизитися до неї. (Найглибші свердловини у світі сягають глибини 12 000-12 700 м.) Тому всі дослідження проводяться не дослідним, а теоретичним й опосередкованим шляхом. Свої висновки про мантію Землі вчені роблять насамперед на основі геофізичних досліджень. У розрахунок беруться електропровідність, сейсмічні хвилі, швидкість їх поширення. Інформативними є і породи мантії, які в результаті різних геофізичних і сейсмічних процесів виявляються на поверхні землі.

Ще на початку XX ст. було прийнято вважати, що мантія однорідна, але вже до середини століття вчені дійшли висновку, що мантія загальною товщиною 2900 км розділяється на верхню (250 км), середню (600 км) і нижню (2037 км), на кордонах яких відбуваються стрибкоподібні зміни у фізико-хімічних характеристиках речовини.

Температура й тиск усередині мантії змінюються від р = 1,4 • 1010 Па за Т = 800 K на кордоні з літосферою до р = 1,3 • 1011 Па за Т = 4300 K на кордоні з ядром (мал. 3.3).

З огляду на високу температуру в надрах Землі, ми маємо право поставити таке запитання: у якому саме фізичному (агрегатному) стані перебувають внутрішні частини Землі? У твердому чи рідкому, чи, можливо, газоподібному? Відомо, наприклад, що породи плавляться за 1000-1400 °С. Це означає, що вже на глибині 100-130 км породи мали б розплавитися. Але там дуже високий тиск, а тиск підвищує температуру плавлення. Який же вплив виявиться більшим: високої температури чи високого тиску?

За тиску понад 2,2 • 108 Па і температурі понад 1500 °С (умови на межі літосфери й верхньої мантії Землі на глибині 100 км) деформується й руйнується кристалічна решітка більшості відомих мінералів і починається плавлення гірських порід, які стають в’язко-рідкими, як смола; за більш високих температур і тисків речовини переходять у рідкий стан (або набувають властивості рідини).

Вивчення мантійних порід дає змогу вченим з певною точністю говорити про склад мантії. Складають мантію силікатні породи, які насичені магнієм і залізом. До мантійних порід належать й алмази, які можуть підійматися назовні аж з нижньої мантії. Вода також входить до складу мантії Землі. Її виявили в гірській породі рінгвуд, яка залягає на глибині 700 км у земній мантії. Припускають, що в кількісному відношенні води в мантії у 12 разів більше, ніж у Світовому океані. Якби її виплеснути на поверхню Землі, то вода піднялася б над поверхнею на 800 м. До відома: критичні значення, за яких вода ще може перебувати в рідкому (перегрітому) стані, — 374 °С і 22 МПа.

Мал. 3.4. Внутрішня будова Землі: а) 1 — земна кора, 2 — верхня мантія, 3 — середня мантія, 4 — нижня мантія, 5 — зовнішнє ядро, 6 — внутрішнє ядро, 7 — мантійний плюм; б) хімічний склад внутрішньої речовини

У межах мантії відбуваються складні фізичні та хімічні процеси, які зумовлюють тектонічні рухи, землетруси, магматизм тощо. Через мантію відбувається обмін речовиною, енергією та інформацією між ядром і земною корою. Мантію пронизують наскрізь плюми («пера») — стовпи розпеченої речовини, що переносять до поверхні Землі теплову енергію, яка виділяється в ядрі планети (мал. 3.4). «Мантійний вітер» — рух розплавлених порід під впливом конвекції речовини — відхиляє плюми від вертикалі. У верхній мантії плюми розгалужуються; над ними відбуваються інтенсивні тектонічні й вулканічні процеси.

Особливу роль у цих процесах відіграє середня частина верхньої мантії Землі — астеносфера (мал. 3.3). Вона розташована під континентами на глибині 120-250 км і на глибині 30-60 км під океанами, наближаючись майже до самого дна в зоні серединно-океанічних хребтів. Астеносфера характеризується пониженою в’язкістю й густиною, а також високою пластичністю. Речовина астеносфери нагріта до 1200 °С і частково перебуває в розплавленому стані. Завдяки цьому вона може переміщуватися в горизонтальному й вертикальному напрямках і спричиняти глибинні розломи верхньої мантії та повільні рухи великих блоків земної кори, що залягають вище. Ці процеси, як вважають, є головною причиною формування складчастих гір й утворення океанічних западин. З ними пов’язані вогнища землетрусів, вулканічна діяльність, родовища корисних копалин глибинного походження тощо.

Ядро (33,5 % загальної маси планети) міститься в центрі Землі на глибині 2900-6371 км. Припускають, що зовнішнє ядро рідке, а внутрішнє — тверде (мал. 3.3). Температура в ядрі, ймовірно, сягає 5000 °С і тиску 3,6 • 1011 Па. У жодній лабораторії досягти таких тисків поки не вдалося. Може бути цікавим для порівняння нагадати, що в центрі Сонця температура оцінюється в 1 000 000 °С, на поверхні Сонця — близько 6000 °С, а волосок увімкненої електричної лампи розжарення має температуру до 3000 °С.

Про склад ядра досі тривають суперечки. За одними гіпотезами воно залізо-нікелеве, а за іншими — водневе (під високим тиском водень може перейти в твердий стан).

Обертання Землі розділяє ядро на дві різні області — внутрішню, з твердим ядром і розпеченими розплавами на краях, і більш холодну зовнішню. Насичена залізом рідина обертається подібно до повітряних потоків циклону, набуває подібну з ним структуру й генерує магнітне поле планети.

Мал. 3.5. Порожниста земля — ще один фейк, чи не фейк: а — приклад увігнутої порожнистої Землі (люди живуть на внутрішній поверхні, а в центрі — Всесвіт); б — чистилище Святого Патрика — печера на острові Стейшн посеред Лох-Смик у графстві Донегол (Ірландія) — за легендою є входом до іншого світу, який святому Патрику показав Христос Доведіть або спростуйте!

Учені припускають, що в ядрі планети відбувалися/відбуваються реакції ядерного синтезу та розпаду. Ядро Землі є (було) джерелом хімічних елементів, ряд з яких досягає поверхні Землі або земної кори. Перш за все, це Гелій, Літій, Берилій, Бор, які є проміжними продуктами реакцій синтезу. Вуглець, азот, кисень, фтор, (навіть азот, беручи до уваги жахливі температури та тиск), а також водень, будучи легкими, рухливими й активними хімічними елементами, залишають ядро й рухаються до поверхні Землі, вступаючи в хімічні реакції, утворюючи гідротермальні розчини, силікати, карбонати, вуглеводні тощо.

Внутрішні шари відчувають періодичні коливання в результаті дії внутрішніх і зовнішніх космічних факторів (гравітація Сонця, Місяця та планет). Наслідками є певний зсув центра мас Землі зі швидкістю 6,47 см за століття й різноманітні потужні геодинамічні та геофізичні процеси (активність мантійних плюмів, сейсмічність, вулканізм, горотворні процеси, підняття й опускання суходолу тощо).