Форма, размеры и свойства земли

В самом простом приближении Земля может рассматриваться как шар, в более сложном — как сплюс­нутый у полюсов эллипсоид, а наиболее точная теоретическая модель Земли названа геоидом, представляющим собой округлое неправильное геометрическое тело. Экваториальный радиус ге­оида составляет 6378,1 км, полярный — 6356,8 км, средний — 6371,0 км; окружность по экватору — 40 075,017 км, по мери­диану — 40 007,86 км.

Наиболее высокая точка Земли — Эверест (8848 м), наиболее глубокая океаническая впадина — Марианская (11 022 м), хотя ее глубину разные исследования оценивают по-разному, так как рас­четы замеров по эхолоту требуют поправок на температуру и плот­ность воды, которые изменяются с глубиной.

Стоит обратить внимание на то, что по сравнению со средним радиусом Земли указанные амплитуды колебаний рельефа и ра­диуса невелики — всего около 20 км.

На рисунке ниже изображена гипсографическая кривая земной поверх­ности. Она показывает процентное распределение площадей суши и дна океана. Впервые она была построена в 1883 г. А. Лаппараном, а уточнена в 1933 г. Э. Коссина.

Кривая изображается на координатной плоскости, где по верти­кальной оси откладывается высота рельефа, а по горизонтальной — доля поверхности, высота которой больше указанной. Гипсографическая кривая имеет два пологих участка: один находится на уровне моря, второй — на глубине 4—5 км, что соответствует внутреннему строению земной коры.

Гипсографическая кривая поверхности Земли

Строение Земли по геофизическим данным

Принцип выделения внутренних оболочек Земли показан на рисунке ниже. На нем изобра­жены график скоростей прохождения продольных сейсмических волн и внутренние границы геосфер Земли, проведенные по точкам перегиба графика.

Итак, в составе Земли выделяют пять геосфер. Верхняя гео­сфера — земная кора. Мощность земной коры составляет 5—15 км под океанами и 30—40 (до 80) км под материками. Как видно из ри­сунка, скорость прохождения сейсмических волн в коре резко воз­растает от 2 до 7 км/с. Вторая и третья геосферы — мантия. Верхняя мантия располагается до глубины 1000 км, нижняя — до глубины 2900 км. На рисунке видно продолжение (но не такое быстрое) роста скорости прохождения сейсмических волн.

Выделение геосфер по скорости распространения продольных сейсмических волн

Основной объем Земли приходится именно на мантию. Предпо­ложительно верхняя часть мантии находится в вязко-пластичном состоянии, легко переходящем в расплавленное состояние. Оно яв­ляется источником магмы и причиной тектонических движений земной коры, как вертикальных, так и горизонтальных, способных распространяться на многие сотни и тысячи километров. Эта об­ласть получила название астеносферы. Под континентами рас­плавы выявлены на глубинах 120—200 км, местами до 400 км, а под океаническими плитами — от первых десятков до 70 км.

Граница мантии и ядра проводится по глубине резкого умень­шения скорости прохождения волн. По перегибу графика скоро­стей на глубине 5000 км проводится граница внешнего и внут­реннего ядер.

Химический состав, плотность материала Земли

В составе Земли представлены все естественные химические элементы периоди­ческой системы, но их распределение крайне неравномерно. Впервые процентное содержание химических элементов в земной коре было подсчитано еще в конце XIX в. американским ученым Ф. Кларком.

Процентное содержание химических элементов в различных объектах

Объект	Химический элемент
	О	Si	А1	Fe	Са	Na	К	Mg	Ni
Земная кора	47	28	8,1	5,0	3,6	2,8	2,6	2,1	0,006
Луна		21	11	4	13		< 1
Метеориты	33	17	1,1	28,6	1,4	0,7	0,1	13,8	1,7

Впоследствии по предложению советского академика А.Е. Фер­смана эти значения стали называть кларками. В некотором прибли­жении о химическом составе Земли можно судить по химическому составу метеоритов и лунного грунта, гак как других примеров для сравнения просто не существует.

Средняя плотность горных пород приповерхностного слоя, таких как гранит и гнейс, состоящих преимущественно из мине­ралов силикатов и алюмосиликатов, — 2,7—2,8 г/см³. Находящаяся ниже мантия составляет наибольшую по объему часть Земли. Пред­положить ее состав можно исходя из средней плотности всей Земли — 5,52 г/см³. Для достижения такой плотности в составе ве­щества должно присутствовать большое количество более тяжелых элементов, вероятно, железа и никеля, плотность которых — 7,87 и 8,91 г/см³ соответственно. Плотность ядра оценивается в 10- 12,2 г/см³. В связи с наличием у Земли магнитного поля, которое отсутствует у многих других планет, ядро Земли, как предполага­ется, имеет железоникелевый состав и находится в сверхсжатом со­стоянии.

Тепловые свойства Земли

Внешним источником теплового поля Земли является солнечная радиация. Ее проникновение в основном ограничивается несколькими метрами, хотя в очень небольших ко­личествах ее влияние сказывается и значительно глубже. Недра Земли находятся в разогретом состоянии за счет внутренних источ­ников — энергии, сохранившейся со времени образования Земли из сгустка горячего материала, радиоактивного распада и гравита­ционной дифференциации материала. Поясним смысл этих источ­ников.

Радиоактивное тепло выделялось и выделяется при распаде дол­гоживущих изотопов — урана-238, урана-235, тория-232 и калия-40.

Под гравитационной дифференциацией понимают процесс постепенного опускания более тяжелых химических элементов к центру Земли и подъем более легких вверх, что сопровождается освобождением потенциальной энергии.

В настоящем и в прошлом имелись и другие процессы выде­ления энергии, но они считаются несоизмеримыми с этими двумя по интенсивности.

Расчеты, выполненные геофизиками, показывают, что за время существования Земли как планеты радиоактивный распад и грави­тационная дифференциация дали вполне достаточное количество энергии для поддержания недр Земли в горячем состоянии.

Наблюдения в глубоких скважинах и шахтах показывают рост температуры с глубиной. В среднем по поверхности суши на 100 м вглубь температура повышается на 3°С. Эта величина названа гео­термическим градиентом, а обратная величина (количество метров на ГС) — геотермической ступенью (в среднем 33 м).

Замечено, что в пределах щитов и платформенных областей тем­пература растет медленнее, а в пределах складчатых областей и зон современного вулканизма — быстрее. Даже в пределах одной сква­жины геотермическая ступень может изменяться по глубине от 5 до 160 м. На Кольской сверхглубокой скважине на глубине 12 км ожидали температуру 150°С, а она оказалась выше и составила 220°С. В скважине, пробуренной в Северном Прикаспии, на глу­бине 3 км вместо 150°С обнаружили температуру 108°С.

О температурах глубоких зон Земли можно судить по темпера­туре лав, которые извергаются вулканами: 1200°С — вулкан Килауэа на Гавайях, 1250°С — вулкан Ключевская Сопка на Камчатке и 1300°С — вулкан Этна на Сицилии.

Температурный режим поверхности земли обеспечивает Солнце.

Среднегодовая температура горных пород на поверхности Земли равна среднегодовой температуре воздуха в данной точке. Для Москвы она равна 4,2°С и зафиксирована на глубине 20 м. Вблизи поверхности породы испытывают сезонные и суточные колебания температуры, которые довольно быстро затухают с глубиной. При практической деятельности колебания на глубине более чем 2 м уже считаются незначительными. При строительстве учиты­вается глубина промерзания грунтов, принимаемая для Москов­ского региона в 2 м при неблагоприятных условиях (1,44 м в сред­нем).

Температура почв в конкретных условиях всегда рассматрива­ется при сельскохозяйственных работах, во многих случаях учиты­вается температура пресных подземных вод, используемых для по­лива, водоснабжения или технических целей.

Существенное влияние на температуру грунтов на склонах ока­зывает их экспозиция — направление обращения склона. На южных склонах всегда теплее, а на северных — холоднее, чем в среднем по местности. Условно считается, что уклон в 1° на юг как бы пере­мещает участок на 100 км южнее.

Около 65% площади России расположено в зоне вечной мерз­лоты с отрицательными среднегодовыми температурами воздуха и грунтов. Мерзлота чрезвычайно усложняет инженерно-геологи­ческие условия строительства и эксплуатации сооружений, осо­бенно на площадях с температурой около (чуть ниже) 0°С.

Гравитационное поле Земли

Показателем гравитационного поля является ускорение свободного падения. Его средняя величина со­ставляет 982 см/с². Сила тяжести по поверхности Земли распреде­лена неравномерно и зависит от формы Земли, нахождения над уровнем моря, состава и плотности горных пород и т.д. На полюсах ускорение силы тяжести больше, чем на экваторе. Составление карт гравитационных аномалий помогает при поисках месторож­дений рудных полезных ископаемых.

Электромагнитное поле Земли

Оно защищает биосферу Земли от воздействия жесткого космического и солнечного излучения, магнитных бурь. Благодаря наличию магнитного поля возможно пользование компасом. В геологии широко используется магнито­разведка, основанная на изучении аномалий магнитного поля. Для оценки горизонтальных тектонических перемещений земной коры используются данные о направлении намагниченности горных пород, приобретенной в геологическом прошлом.