Глава 3. Строение и состав земли

3.1. Форма, размеры и физические свойства Земли.

Уровни организации вещества Земли. Вещество Земли по организации можно разделить на несколько уровней («иерархических ступеней»):

• атомы (химические элементы). На сегодня известно 108 химических элементов (таблица Менделеева). Около 90 из них встречается в природе, остальные 18 были синтезированы искусственным путем. 87 встречается в самородном состоянии, но большей частью это единичные находки (самородки)*;

• минералы – природные естественные химические соединения (или, значительно реже, самородные химические элементы); имеют неорганический состав и состоит из нескольких химических элементов, (например, гематит Fe₂O₃, халькозин Cu₂S);

• горные породы - естественные ассоциации минералов, устойчивые при определенных физико-химических условиях;

• геологические тела – это некие объёмы недр, выполненные набором горных пород образовавшихся в результате закономерных природных процессов, (слои, пачки, интрузивные тела, осадочные формации, оболочки земной коры).

• геосферы. Под геосферами понимают отдельные концентрические оболочки Земли (атмосферу, земную кору, мантию, ядро и др.)

• планета Земля как космическое тело

*Только очень немногие самородные химические элементы (S, Au, Cu, Ag, C, Pt) встречаются в природе в промышленно значимом количестве.

Форма, размеры и физические свойства Земли. Форма планеты зависит от её размеров, распределения плотности вещества в недрах и скорости её осевого вращения.

Внешнюю форму Земли довольно сложно представить в виде правильной геометрической фигуры. В первом приближении она представляет собой шарообразное тело (сфероид) со средним радиусом 6371 км.

Во втором приближении Земля является двухосным эллипсоидом вращения, несколько сплющенным у полюсов. Экваториальный радиус Земли равен 6379 км, а полярный 6357 км. Эксцентриситет (степень сжатия) эллипсоида 1/300.

Важным следствием элептической формы Земли и её вращения вокруг своей оси является не только очевидная смена дня и ночи, но и ряд других явлений. В первую очередь – это неравномерное распределение тепла по широтам и появление поясной географической зональности, параллельной экватору.

Наблюдаемая форма Земли связана с тем, что она не только движется по своей орбите вокруг солнца, но и вращается вокруг своей оси. Полный оборот Земля делает за 24 часа (точнее за 23 часа 56 минуты 4 секунды). В результате действия центробежных сил при вращении, Земля оказывается несколько сжатой у полюсов. Поэтому экватариальный радиус Земли на 21 км больше полярного.

Совокупность неровностей земной поверхности называется рельефом. Самая высокая гора Эверест (Джомолунгма) – 8848м выше уровня океана, самая глубокая впадина – Марианская – 11034м ниже уровня океана. Таким образом, перепады рельефа на поверхности Земли составляют около 20 км, что по сравнению с радиусом планеты (около 6300км) составляет ничтожную величину. Гораздо более существенным фактом является неравномерность распределения вещества с разной плотностью в недрах Земли.

В третьем приближении Земля представляет собой трехосный эллипсоид. Сравнительно недавно было установлено, что экваториальное сечение Земли так же представляет собой эллипс. Разность его полуосей составляет около 200м, а эксцентриситет – 1/30000. Кроме того, полярные полуоси северного и южного полушарий не одинаковы (южная на 100 – 200м) короче северной, поэтому полярное сжатие южного полушария больше чем северного.

Для решения практических задач эта модель почти не используется. Однако в результате неравномерного распределения вещества в недрах, геометрический центр Земли не совпадает с её центром масс. По законам механики такое физическое тело не может вращаться вокруг своей оси равномерно, так как должно происходить непрерывное изменение момента инерции соответствующих масс относительно оси вращения. Механическим следствием этого должны являться «биения», что приводит к непрерывному смещению самой оси вращения внутри тела Земли – её прецессии. Земная ось совершает движение в теле земли, описывая конус. Это в свою очередь приводит к перемещению полюсов планеты в пространстве – к их нутации.

По данным В.В. Шулейкина нутация полюсов оказывает огромное воздействие на распределение масс воздуха и их изменения по сезонам. Смещения полюсов приводит так же к изменениям центробежной силы, а следовательно и к деформациям поверхности Мирового океана, изменению интенсивности океанических течений и изменению характера взаимодействия между океаном и атмосферой.

Хотя представление о форме Земли как о двухосном эллипсоиде вращения для решения многих задач является верным, в действительности поверхность Земли оказывается более сложной. Наиболее близка к ней своеобразная математически рассчитанная фигура – геоид (буквальный перевод термина – «землеподобный»).

Геоид – некоторая воображаемая, математически рассчитанная, замкнутая геометрическая поверхность, по отношению к которой сила тяжести повсеместно направлена перпендикулярно. Она совпадает с невозмущенной поверхностью мирового океана и продолжается, погружаясь под материки, как бы сглаживая их рельеф. Таким образом, с точки зрения физики геоид – это эквипотенциальная поверхность.

Форма и размеры Земли были вычислены геодезистом А.А. Изотовы в 1940 г. на основании геодезических работ, проводившихся под руководством математика профессора Ф.Н. Красовского. Поэтому вычисленная Изотовым фигура Земли получила название эллипсоида Красовского (табл. 3.1.). Позднее её параметры были уточнены с помощью космических аппаратов.

Таблица.3.1. Основные параметры эллипсоида Красовского и основные характеристики Земли

Экваториальный радиус	6 378, 245 км
Полярный радиус	6 356, 863 км
Площадь поверхности Земли	5210 млн. км2
Окружность по полюсам	40 008 км
Окружность по экватору	40 075 км
Объём Земли	1,083 · 1012 км3
Масса Земли	5,976 · 109 т (или 5,976 · 1027 г)
Средняя плотность Земли	5,52 г/см3

Лабораторными исследованиями было установлено, что плотность горных пород, выходящих на поверхность Земли не превышает 2,7 – 3 г/см³ . Из этого следует, что в её недрах должны находится горные породы, чья плотность должна значительно превышать среднюю плотность Земли.

Внутреннее строение Земли и методы его изучения. В 80-е гг. ХIХ в. австрийский геолог Эдуард Зюсс (1831-1914) высказал мысль о том, что Земля, подобно луковице, состоит из концентрических оболочек и плотного ядра – геосфер (греч. “гея” - земля, “сфера” - шар).

Представления о внутренней неоднородности строения Земли и о её концентрически-зональном строении основаны как на прямых наблюдениях (для внешних геосфер), так и на результатах комплексных геофизических исследований (для внутренних геосфер). При этом поверхность Земли является поверхностью раздела, отделяющей твердое тело планеты от внешних геосфер – атмосферы, гидросферы, биосферы и магнитосферы.

Все процессы, происходящие на планете, в конечном счете, сводятся к перераспределению вещества и энергии как внутри отдельных геосфер, так и между ними. За время геологической истории Земли эти перемещения меняли состав и строение отдельных оболочек. Поэтому данные, которые мы получаем, относятся к их современному состоянию. Их состояние в прошлом мы последовательно восстанавливаем по тем следам, которые хранятся в «каменной летописи» Земли, так же как археологи восстанавливают историю древних цивилизаций, читая наскальные рисунки и письмена.

По существующим представлениям земной шар разделен на ряд концентрических оболочек (геосфер), вложенных друг в друга. При этом поверхность Земли является поверхностью раздела, отделяющей твердое тело планеты от внешних геосфер – атмосферы, гидросферы и атмосферы.

Таблица 3.2. Состояние и состав оболочек Земли (по В.А. Вронскому, Г.В. Войткевичу, Ю. П. Селивестрову и А.А. Бобкову)

Оболочка	Химический состав	Физическое состояние
Атмосфера	N2, O2, CO2, (H2O), инертные газы	Газообразное
Гидросфера	Пресные и соленые воды, снег и лед. Растворенные Cl, SO4, HCO3, Na, K, Mg, Ca.	Жидкое, частично твердое и газообразное
Биосфера	Углеводы, белки, жиры, нуклеиновые кислоты, C, H, O, N, S, скелетный материал (Cа, Si, P), вода	Твердое, жидкое, преимущественно коллоидальное
Литосфера	Магматические, осадочные и метаморфические горные породы (Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K)	Твердое, частично расплавленное
Астеносфера	Минералы оливин-пироксенового состава и их эквиваленты высоких давлений (O, Si, Mg, Fe).	Частично расплавленное
Мантия	Минералы оливин-пироксенового состава и их эквиваленты высоких давлений (O, Si, Mg, Fe).	Твердое, но пластичное
Ядро внешнее	Железо-никелевый расплав с примесью силикатного вещества	Жидкое, вероятно расплавленное
Ядро внутреннее	Железо-никелевый сплав (Fe, Fe S, Ni)	Твердое, металлоподобное