Планета Земля

Вот уже много лет в строительстве используют горные породы. Это они образуют твердую оболочку Земли, которую геологи называют земной корой (литосферой). Горные породы слагают поверхность Земли, располагаясь снаружи и в глубине ее (10-40 км). Их изучением занимается геология. Она изучает верхнюю часть нашей планеты - земную кору, исследует ее состав, строение и процессы, протекающие на ней с момента образования до наших дней, наблюдает за ростом, развитием и разрушением горных пород. Наряду с этим геология занимается получением необходимых геологических сведений о Земле (формирование, внутреннее строение, история существования и т. д.).

Горные породы представляют собой твердые, мягкие, рыхлые и сыпучие массивы. Мы их воспринимаем как горы. Геологи установили, что образование гор на поверхности Земли вызвано действием подземных сил Земли. Земная кора нам кажется неподвижной. На самом же деле она находится в непрерывном движении и развитии во времени. Одни ее участки опускаются, а другие вздымаются.

Пласты, например известняков, отложившиеся на дне былых морей, в результате тектонических движений земной коры оказываются на горных вершинах, они изгибаются, образуют складки и сжимаются под действием исполинских внутренних сил.

Да, именно исполинских! Другого слова, характеризующего мощность подземных сил Земли, и не подберешь. Подумать только, какой огромнейшей силой надо обладать, чтобы „вздыбить" участок Земли и образовать из него высокую гору!

Очень часто в результате геологических процессов происходят уплотнение и перекристаллизация некоторых горных пород, которые превращаются в метаморфические породы.

Геология позволила нам познать многое. Все, что касается нашей планеты, нас интересует. И это вполне естественно. Ведь мы - земляне. Нашим домом и основным местом созидательной деятельности является Земля, вернее ее поверхность. На ней протекает вся наша жизнь и деятельность начиная с поиска и добычи полезных ископаемых и кончая возведением разнообразных инженерных сооружений, в которых использованы горные породы (камни). Камень неотделим от Земли, является ее составляющей, особенно ее верхней части — земной коры.

Прежде чем перейти к истории и биографии камня, напомним некоторые известные геологические сведения о Земле. Геология помогает ответить на вопросы о том, что представляет собой Земля, как она формировалась и каким изменениям подвергалась в течение долгой истории ее существования, насчитывающей многие миллионы и миллиарды лет, какова поверхность Земли, каково ее внутреннее строение, как меняется земная кора под влиянием геологических сил, из чего она состоит. Мы научились понимать события, происходящие в окружающей нас природе, и тем самым расшифровывать историю развития Земли.

Геология дает возможность не только получить необходимые данные о Земле, но и объяснить изменения земной поверхности теми процессами, которые совершаются на наших глазах постоянно и вполне доступны для изучения. Это касается не только атмосферных воздействий, но и таких „геологических деятелей", которые скрыты в глубине Земли. Время от времени последние обнаруживают себя в виде таких грозных явлений, как извержения вулканов или землетрясения. Люди узнали, как образуются горы, реки, моря, океаны, как возникают вулканы и лавы и как на дне океанов и морей растут остатки илов и песков.

Значительную информацию о Земле предоставили и смежные с геологией науки: геофизика, геохимия и т. д. Они расширили наши познания о Земле и ее поверхности — земной коре.

О том, как образовалась Земля, никто не может рассказать точно. Ведь этого никто не мог наблюдать. Поэтому в течение многих веков ученые высказывали более или менее правдоподобные гипотезы происхождения Земли. Как правило, они соответствовали уровню знаний того или иного века. Некоторые из них были неточны, другие — близки к истине.

Теперь мы уже знаем, что Земля - одна из планет солнечной системы, что изучена ее структура и ничего загадочного ни внутри, ни на поверхности Земли нет, что она имеет форму шара, вращается вокруг своей оси и что ее окружность равна 40 000 км, что воздух окутывает земной шар ровным слоем со всех сторон, что вода, покрывающая более половины поверхности земного шара, образует более плотную оболочку, чем воздух.

С годами ученые смогли также ответить на вопрос о том, каково строение земного шара. Оказывается, наша планета состоит из нескольких зон разной плотности, как бы вложенных друг в друга внутри Земли, — концентрических зон. Они называются геосферами.

Установлено, что крупными зонами, из которых „сложен" земной шар, являются земная кора (литосфера), мантия и ядро. Внутри каждой из них довольно четко выявляются отдельные "подзоны", или слои.

Прежде чем рассказать о зонах Земли, поговорим о том, как это удалось установить. Этому помогли точные геофизические методы, основанные на изучении колебаний, происходящих внутри земного шара в местах, недоступных непосредственному наблюдению. Сами колебания вызваны землетрясениями, очаги которых находятся в глубинах земного шара, иногда в нескольких километрах от поверхности. Каждое землетрясение вызывает колебательное движение, распространяющееся от очага во все стороны, пронизывающее весь земной шар.

Если бы Земля была однородным телом, то эти колебания, или, как их называют, сейсмические волны, распространялись бы прямолинейно и с одинаковой скоростью. Но Земля, как уже было сказано, неоднородна и образована слоями различной плотности. Сейсмические волны преломляются и отражаются от различных слоев Земли и поэтому распространяются с различными скоростями. Чем больше плотность горной породы, попадающейся на пути распространения сейсмических волн, тем больше их скорость.

Каждое преломление, как и каждое отражение, дает свои сигналы. Из акустики известно, что волны могут быть продольными и поперечными. Продольные волны имеют большую скорость, чем поперечные. Обычно в твердых горных породах скорость распространения продольных волн колеблется от 3,5 до 12,5 км/с. Зная скорость распространения волн и время посылки сигнала, как в звуколокации и радиолокации, можно определить путь сигнала, т.е. глубину залегания того или иного слоя зоны.

Значит, внимательное наблюдение за естественными и искусственными содроганиями Земли позволяет проникнуть в тайну, которую хранят недра. Земля как будто сама посылает из своих недр закодированную информацию. А расшифровать ее можно путем записи сейсмических волн и последующих математических расчетов. Запись сейсмических волн проводят чувствительными приборами - сейсмографами. Идея разработки конструкции сейсмографов принадлежит русскому ученому академику Б. Б. Голицыну. Это он заложил научные основы сейсмологии и подвел научную базу под все явления сейсмики и землетрясений. В настоящее время сейсмографы, установленные на сейсмических станциях всего мира, чутко вслушиваются в ритм жизни Земли и записывают сигналы, идущие из ее недр.

Механизм образования сейсмических волн довольно прост. Каждое землетрясение вызывает колебательное движение частиц горных пород, которые перемещаются относительно друг друга. Они толкают соседние частицы, которые передают толчок еще дальше в виде упругой волны. Так создаются колебательные движения, распространяющиеся от очага во все стороны. По мере удаления волна ослабевает. Эти упругие волны, возникающие при землетрясении, как мы уже говорили, называют сейсмическими. Сейсмические станции постоянно прослушивают все сотрясения Земли. Расшифровывая данные регистрации сигналов землетрясений, их наносят на карту. С помощью карты можно определить, где и когда произошло землетрясение и какова сила подземных ударов.

Вот теперь мы можем ответить на вопрос о том, как ученые определили зоны Земли, и тем самым создать правильную гипотезу, касающуюся внутреннего строения Земли и земной коры в частности.

Итак, верхней зоной Земли является земная кора, или так называемая литосфера. Это твердая каменная оболочка Земли. Она по-настоящему твердая и в то же время тонкая (в масштабах Земли). Ее толщина почти на всех континентах 40-60 км.

Земная кора состоит из твердых кристаллических пород. По существу термин "земная кора" не совсем правомерен. Он возник в те давние времена, когда существовала гипотеза о том, что Земля произошла из расплавленного сгустка материи, который постепенно остыл, покрыв Землю корой. Теперь ученые иного мнения о происхождении Земли, но термин, не соответствующий истине, так и остался в литературе.

Самый верхний слой земной коры состоит в основном из осадков, возникших либо на дне морском, либо в условиях континентального накопления обломков. Этот слой имеет толщину от 1,5 до 3 км. Затем идет второй слой. Он сложен породами, близкими по составу к гранитам. Его так и называют - гранитный. Но это название условное, т. е. в слое имеются и другие породы. Состав же его может несколько меняться от района к району. Еще глубже, в нижней части земной коры, залегают более плотные породы, сходные с базальтами. В ней находятся породы, богатые магнием и железом и бедные кремнекислотой. Нижняя граница базальтов, отделяющая земную кору от глубинных слоев нашей планеты, получила название "раздела Мохо" в честь известного югославского геолога, детально изучившего и описавшего этот раздел.

Под земной корой находится вторая крупная зона Земли — мантия. Она составляет примерно 70% всей массы нашей планеты. Глубина ее от 60 до 2900 км от поверхности Земли. В зоне мантии скорость сейсмических волн то возрастает, то замедляется. По этим признакам мантию разделяют на верхнюю и нижнюю. В составе верхней мантии имеется несколько слоев. Первый слой - приземной, или подкорковый. Его толщина — 100 км. За ним следует слой относительного покоя. Глубина его - 120—200 км. Далее,на глубине 200—400 км от поверхности Земли, идет слой без названия.

Следующий за ним слой расположен на глубине от 400 до 800 километров. И вот в нем скорость сейсмических волн начинает резко возрастать. Этот слой получил название слоя Голицына. Затем идет зона абсолютного покоя, находится она на глубине 1200 километров от поверхности Земли. Здесь начинается нижняя мантия Земли. Сейсмические волны достигают в ней максимальной скорости 12— 12,5 км/с. На глубине 2900 км вновь происходит резкий переход скоростей распространения сейсмических волн.

Еще глубже мантии лежит ядро Земли. При переходе от мантии к ядру Земли скорость продольных волн скачком уменьшается до 8,5 км/с. Ядро Земли состоит из такого вещества, которое не сопротивляется изменению формы, т. е. оно ведет себя по отношению к сейсмическим колебаниям как жидкое тело.

Ученые допускают, что оно жидкое в самом обычном смысле и течет даже под действием кратковременных нагрузок. В самом центре Земли, в ядре, находится внутреннее твердое ядро — „ядрышко". Оно состоит из вещества, плотность которого около 13г/см2. Объем ядра равен 1/6 объема всей Земли, а поперечник его составляет 7000 км. Предполагают, что в ядре Земли породы намного тверже стали. Однако пока это экспериментально не установлено.

Предположив   примерную   структуру   внутреннего "устройства" Земли, ученые попытались проникнуть в ее глубины. Начали с земной коры. Для получения необходимой информации из недр Земли надо было сначала произвести бурение земной коры. И вот исследователи столкнулись с тем, что чем глубже — тем горячее. С этим хорошо знакомы горняки. Оказывается, чем глубже рудник или угольная шахта, тем выше температура воздуха, нагреваемого от соприкосновения с горными породами.

Например, на глубине около 2500 м невозможно работать, так как температура воздуха там 50° С и выше. Поэтому рудники редко бывают на такой глубине. С увеличением глубины скважины до 5000 м температура в ней достигает 130° С. Это уже температура заводского парового котла.

Эксперименты подтвердили, что температура горных пород с глубиной непрерывно повышается. Значит, земная кора нагревается изнутри каким-то источником тепла. Здесь можно провести аналогию с комнатной печью, стенки которой тем более нагреты, чем они ближе к очагу.

До каких же пределов растет температура в глубинах Земли? Точно это установить нельзя. Ученые высказали предположение, что на больших глубинах температура увеличивается в среднем на 3° С через каждые 100 м. А если это так, то на глубине 1000 км температура должна достигнуть 300 000°С! Такая температура превратила бы все вещество внутри Земли в раскаленный пар. Земная кора, подобно слишком тонкой оболочке парового котла, не выдержала бы такого давления и произошел бы грандиозный взрыв, грозящий Земле катастрофой.

По-видимому, внутри Земли нет таких высоких температур, и это стабилизирует процессы, происходящие в Земле и на ее поверхности. По гипотезе академика А. Е. Ферсмана, на глубине 1000 км температура доходит лишь до 1000° С и на глубине 1200 км не превышает 1500° С. При этой температуре начинается плавление многих горных пород. Однако даже на такой глубине земная кора не расплавлена и в ней нет сплошного жидкого слоя. Доказательством этого служат сейсмографические испытания, а также измерения скоростей распространения упругих волн, возникающих при землетрясениях и при искусственных взрывах.

Все это подтверждает, что на больших глубинах вещество Земли находится в твердом состоянии. Какова же температура Земли на глубине более 1500 км, пока неизвестно. Это установить не удалось. Глубины Земли строго хранят свои тайны. Они оказались более "засекреченными", чем отдаленнейшие звездные миры, информацию о которых приносят лучи света далеких звезд.

Ученые не прекращали исследовать земную кору, пытаясь установить, до каких же пределов может расти температура в глубинах Земли. По-видимому, существует какой-то предел? И опять поиски, догадки... Может, Земля расплавлена внутри? Доказательством могут служить вулканы, извергающие раскаленные газы и изливающие огненно-жидкую лаву. К тому же ниже мантии находится ядро Земли.

А вот еще одна загадка. На "четвертом этаже" находится внутреннее твердое ядро — железное ядро, которое сильно раскалено. Почему же оно не расплавляется подобно руде в доменной печи? Если бы это было так, то как легко можно было объяснить процессы, происходящие в Земле! Казалось бы, чего проще: руда плавится в домне при высокой температуре. Наверх всплывает штейн — силикатная корка, которая быстро застывает на поверхности расплава. Внизу, в зоне дна, скапливается расплавленное железо. Вот и полная аналогия с Землей! Здесь и земная кора (корка), и железное ядро (железо на дне).

Однако такое объяснение не дает ответа на поставленный вопрос. Остается нерешенным, почему вещество внутри Земли, которое сильно нагрето, не расплавляется подобно руде в доменной печи? И на вопрос о причинах твердости Земли ответить не так просто. Много было высказано гипотез, но ни одна не учитывала, что в недрах Земли существует огромное давление.

А причем здесь давление? Разве оно может помешать твердому телу расплавиться? Конечно может. Ведь огромное давление повышает точку плавления горных пород.

И вот для того, чтобы понять „механизм" плавления, геологи обратились за помощью к физике и теории упругости. В одном из важнейших разделов физики - механике - сказано, что для того, чтобы установить, как деформируется твердое тело под влиянием нагрузки (механической, тепловой или любой другой), необходимо использовать структурные механические модели для имитации внутренней структуры твердого тела.

Все тела состоят из частиц (молекул), удерживаемых одна возле другой особыми упругими силами связи. Графически это можно изобразить в виде прямоугольника, по углам которого расположены элементарные массы тела (частицы). Эти массы связаны между собой пружинами — упругими силами. Как работает такая структурная модель? Допустим, к твердому телу приложена нагрузка — сжатие. Под ее воздействием в теле возникает деформация. При этом происходит сближение частиц. Пружины сжимаются и сопротивляются сближению.

И наоборот, при растяжении частицы удаляются друг от друга. Но пружины стараются удержать их. При снятии нагрузки тело восстанавливает свою форму. А вот если приложенная нагрузка будет очень велика, пружины разорвутся, связи между частицами нарушатся и частицы смогут свободно передвигаться в любом направлении. Если тело нагреть, то оно расширится и при отсутствии силы связи может расплавиться. А при воздействии большого давления, несмотря на нагревание, тело плавиться не будет.

Вот и ответ: огромное давление, которому подвергается вещество в недрах Земли, с большой силой прижимает его частицы друг к другу и не дает ему расплавиться, несмотря на то, что оно раскалено...

Установлено, что давление растет с глубиной и что на глубине 1 км оно равно 3-10*7 Па, а на глубине 30 км достигает 109 Па, это означает, что на 1 см2 давит тяжесть 10 т. Таким образом, можно предположить, что в центре Земли давление достигает 40 000 т на 1 см2 и выше. Исходя из приведенных данных ученые и сделали вывод о том, что в недрах Земли, на глубине более 40 км, вещество не расплавлено.

Когда геологи пришли к общему мнению, что давление является причиной твердости Земли, они смогли объяснить, почему вулканы изливают жидкую лаву, хотя внутри Земля не расплавлена. Причиной этому является все то же давление! По предположению геологов, при нарушении целостности земной коры резко меняется давление, и тогда освобожденное от него раскаленное вещество расплавляется, приобретает свойства жидкости, вторгаясь в трещины земной коры, изливается на ее поверхность в виде жидкой магмы.

А теперь еще раз о давлении. Оказывается, большие давления делают твердые тела пластичными. Невероятно, но факт! Можно проделать такой эксперимент. Угловатый, неправильной геометрической формы кусок мрамора помещают в толстостенную стальную коробку. Чтобы давление стенок формы передавалось всей поверхности мрамора, пустые промежутки внутри коробки заливают парафином. Коробку ставят на подушку гидравлического пресса. Создается большое давление. Затем коробку снимают с подушки пресса и вскрывают. В коробке обнаруживается не угловатый, неправильной геометрической формы кусок мрамора, а мраморный слепок, передающий внутреннюю форму коробки с такой точностью, как будто он был сделан из воска...

Что это, „очевидное—невероятное"? Нет, это физика! Подобное физическое явление распространяется на все твердые тела. Значит, используя большие давления, можно любое твердое тело сделать пластичным? Да! И в современной технике это широко используют.

Открытие описанного физического явления способствовало объяснению поведения материковых глыб. Геологи предположили, что вещество внутри Земли, имеющее большую твердость, чем сталь, иногда ведет себя как пластичная масса. Будучи тверже стали, оно может уступить давлению на него материковых глыб, которые как бы плавают на поверхности жидкой базальтовой массы. Так ученые объяснили, почему Земля в одних случаях ведет себя как твердое тело, а в других — как пластичное.

Вот теперь, когда мы располагаем необходимыми геологическими сведениями о нашей планете, мы можем, как сказал крупнейший советский геолог В. А. Обручев, смотреть открытыми глазами на окружающую природу и понимать историю ее развития. Это имеет не только общеобразовательное значение, расширяя наш кругозор, но и огромное практическое значение. Говоря так, ученый имел в виду не только поиски и нахождение полезных ископаемых, но и оценку их качества. Ведь без знания геологии невозможно искать месторождения ископаемых богатств планомерно, нельзя оценить их качество и определить условия их добычи.

Особое внимание академик Обручев уделял роли геологии в строительстве. С каждым годом растет объем строительства, значительно расширяется "ассортимент" строительных объектов. Человек возводит гигантские электростанции, сооружает большие плотины на реках, мосты через реки, прорывает огромные туннели и каналы, строит телебашни, аэродромы, космодромы, метро в разных городах, создает искусственные моря и другие уникальные инженерные сооружения. Все эти работы требуют участия геолога, а иногда и инженера-гидрогеолога. Геологи нужны всюду в народном хозяйстве.

Без учета геологических данных нельзя проектировать и строить рационально, с наименьшей затратой труда, материалов и времени. Геология оказалась полезной строителям в решении самых сложных инженерных задач. Всюду со строителем шагает геолог. До начала строительства он должен исследовать грунт, на котором возводят сооружение, выяснить, на какой глубине надо заложить фундамент, затем узнать водонепроницаемость или водоносность пород под зданием, дорогой или в стенах туннеля.

Не менее важна работа гидролога, который изучает подземные воды, их состав и пути передвижения. Они выясняют условия отвода воды, которая может лишить устойчивости фундаменты зданий.

И наконец, в районах, подверженных землетрясениям, например в Ташкенте, геолог поможет строителям выбрать тип антисейсмических зданий, выдерживающих сотрясения Земли.

А теперь перейдем к изучению истории образования горных пород, из которых построена земная кора. Горные породы возникли в результате геологических процессов, происходивших на поверхности и в глубине Земли. Они имеют собственную историю.