Геология / 1 курс / Общая геология / Общая геология методичка Парначев

2.4. Геофизические характеристики Земли

Магнитное поле. Земля – гигантский магнит с силовым дипольным магнитным полем. Различают магнитное склонение и наклонение. Полюс географический, ось вращения Земли и полюс магнитный не совпадают (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Положение оси вращения Земли и магнитных полюсов

Магнитное склонение определяется углом отклонения магнитной стрелки компаса от географического меридиана. Оно может быть западным и восточным.

Рис. 2.5. Истинные и магнитные азимуты при восточном (а) и западном (б) склонениях:

ИП – истинный полюс; МП – магнитный полюс; Н – наблюдатель; НП – направление на визируемый предмет; Н–ИП – истинный азимут; Н–МП – магнитный азимут; φ – угол магнитного склонения

31

Линии, соединяющие на карте точки с одинаковыми склонениями называются изогонами.

Магнитное наклонение определяется углом наклона магнитной стрелки к горизонту. Максимальная величина наклонения (до 90о) наблюдается в районе магнитных полюсов. Линии, соединяющие на карте точки с одинаковым наклонением, называются изоклинами.

Происхождение магнитного поля Земли объясняется действием системы электрических токов, возникающих при вращении Земли в связи со сложными конвективными движениями в жидком ядре.

Установлена изменчивость геомагнитного поля во времени, называемая вариациями. Меняются величина магнитного склонения (до 10– 15´), величина горизонтальной и вертикальной составляющей. Достаточно правильные изменения этих величин в течение суток носят назва-

ние суточных вариаций геомагнитного поля. Это связано с ионизирую-

щим	воздействием ультрафиолетового излучения	солнца на слои
ионосферы, перемещением здесь масс ионов, появлением электриче-
ских токов и локальных магнитных полей. Эти новообразованные поля
закономерно в течение суток деформируют дипольное поле Земли, вы-
зывая	соответствующие вариации(смещения) положения	магнитных

полюсов в течение суток, достигающие 100 км.

Непериодические вариации геомагнитного поля обусловлены вспышками солнечной активности. С этими вспышками связываются полярные сияния, ухудшение или прекращение радиосвязи. Эти явления носят название магнитных бурь. При этом вариации магнитного поля по склонению достигают нескольких градусов.

Вековые вариации геомагнитного поля осуществляются в течение десятков и сотен лет. Установлено, что за последние 350 лет вариации достигают 30о по склонению и10° по наклонению. Выявлено, что аномалии магнитного поля плавно перемещаются на запад примерно в широтном направлении со скоростью около 0,18о в год. Это свойство называется западным дрейфом. По расчетам вследствие дрейфа наблюдаемые аномалии совершат полный оборот вокруг Земли за 1800 лет. По результатам вычисления магнитной напряженности, его значение постепенно уменьшается на0,04 % в год. Если это будет продолжаться еще 2000 лет, то магнитное поле Земли может исчезнуть.

Палеомагнитные наблюдения показывают, что напряженность поля около 1500 лет назад была приблизительно в 1,5 раза выше, чем сейчас, а 5500 лет тому назад – приблизительно вдвое меньше, чем в настоящее время. Следовательно, напряженность изменилась более чем в три раза в относительно короткое для Земли время, равное нескольким тысячам лет. Она могла менять знак, совершая «инверсию поля».

32

Вариации магнитного поля вызывают необходимость периодического повторения магнитных измерений и пересоставления карт -гео магнитного поля.

На расстоянии около 260 тыс. км от Земли геомагнитное поле ослабевает и становится соизмеримым по интенсивности с космическим магнитным полем. Эта граница называетсямагнитопаузой, а ограниченное ею околоземное пространство, попадающее в зону воздействия геомагнитного поля, называется магнитосферой.

На Земле имеются участки, где отмечаются местные отклонения от регионального среднего значения геомагнитного поля. Эти участки имеют различные размеры – десятки сотни метров, сотни и тысячи километров и обусловлены типом горных пород(месторождения железных руд, наличие пород, богатых магнитными минералами). Такие отклонения носят названиемагнитных аномалий. Курская магнитная аномалия связана с месторождением железистых(магнетитовых) кварцитов. Линейные магнитные аномалии фиксируют линейные тела горных пород (базальтов), богатых магнитными минералами.

Проблема происхождения магнитного поля Земли относится к ряду нерешенных вопросов. Существует несколько гипотез его происхождения. Ферромагнитная гипотеза объясняла намагниченность наличием в горных породах ферромагнетиков. Но высокая температура в недрах Земли, превышающая точку Кюри для магнитных минералов, препятствует использованию этой гипотезы. Кроме того, внешнее ядро находится в жидком состоянии и не может быть магнитным. Гипотеза не объяс-

няет, какие факторы могли намагнитить ядро, чем	определяются
быстрые (сотни и тысячи лет) вариации магнитного поля(геологиче-
ские процессы длятся миллионы и десятки миллионов лет).
Магнитогидродинамическая гипотеза объясняет	возникновение

электрического магнитного поля мантии разной скоростью вращения нижней и верхней частей жидкого внешнего ядра и тепловой конвекцией внутри его.

Палеомагнетизм. Изучение богатых железными минералами пород (базальтов, магнетитовых песчаников и др.) показало их намагниченность. Оказалось, что такая намагниченность является своеобразной «фотографией» древнего магнитного поля, существовавшего в момент формирования этих пород.

Возможность восстановления древнего магнитного поля появилась в результате изучения механизма намагничивания и создания высокочувствительных приборов – магнитометров, для измерения слабых магнитных полей.

33

По магнитным свойствам вещества делятся на три класса: ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики. Ферромагнетики, к которым относятся такие металлы как железо, никель, кобальт и др., наиболее легко намагничиваются. Механизм намагничивания ферромагнетиков состоит в переориентации магнитных моментов небольших блоков вещества – доменов под действием внешнего магнитного поля. Домены приобретают подвижность при нагревании до температуры, превышающей точку Кюри (для железа – +770оС, для никеля – +358оС, для кобальта –1150оС. При остывании, переходя во внешнем магнитном поле через точку Кюри, ферромагнетики становятся постоянными магнитами, свойства которых сохраняются и при снятии внешнего поля. Этот

механизм намагничивания ферромагнетиков позволяет использовать горные породы в виде своеобразных фотографий древнего магнитного поля. Действительно, если в момент своего формирования порода с ферромагнетиками испытала нагревание выше точки Кюри, то при остывании она приобрела свойства магнита, ориентированного в соответствии с существовавшим тогда геомагнитным полем. Такая приобретенная намагниченность горных пород называется термоостаточной намагниченностью. Породами, приобретшими термоостаточную намагниченность, являются магматические породы.

Есть другой тип остаточной намагниченности– ориентационная остаточная намагниченность. Она связана с разрушением древних пород, переносом и отложением намагниченных обломков в ориентированном магнитном поле. Последующее уплотнение закрепляет такую ориентацию магнитных частиц.

Химическая остаточная намагниченность – ориентированное осаждение ферромагнитных минералов в геомагнитном поле из минерализованных растворов.

Таким образом, в земной коре существует много образцов горных пород и минералов, «запечатлевших» ориентацию древнего магнитного поля. Измеряя направление остаточной намагниченности такой породы, можно определить углы его склонения и наклонения, а следовательно, и положение древних полюсов. Установлено, что магнитные полюса в те-

чение последних 500 млн	лет непрерывно	перемещались	из - юго
западной части Тихого	океана в район	современного	положения

(рис. 2.6).

В истории Земли отмечались периоды быстрых(в геологических масштабах времени – мгновенных) смен полярности магнитного поля, при которых геомагнитные полюса меняются местами. Эта смена полярности магнитных полюсов, называется инверсией полюсов. Это явление довольно частое событие в истории Земли: в течение последних

34

70 млн лет инверсии происходили не менее1–2 раз за каждый миллион лет. В последние 5 млн лет установлено около20 инверсий геомагнитного поля, которые объединены в 4 эпохи относительно стабильной полярности. Эти эпохи носят собственные имена– эпоха Брюнес, Матуяма, Гаусс, Гилберт и др. (рис. 2.7).

Рис. 2.6. Траектория кажущейся миграции магнитного полюса:

а– для Северной Америки за последние 1.8 млрд лет; б – для Европы

вфанерозойское время (по К. Сейферту, 1990)

Эти инверсии особенно хорошо фиксируются в базальтовых лавах по обе стороны от СОХ. Они повторяются симметрично по обе стороны от хребта, образуя полосовые магнитные аномалии. Возраст этих аномалий по мере удаления от СОХ закономерно удревняется, подтверждая гипотезу спрединга, раздвигания океанической коры.

Практическое использование магнитного поля Земли включает:

1.Ориентирование с помощью магнитной стрелки;

2.Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых:

а) выявление высокомагнитных пород(например, железистых кварцитов Курской аномалии);

б) выявление локальных магнитных аномалий (железных руд, трубок взрыва кимберлитов).

3. Использование палеомагнитных данных для определения - на правления дрейфа материков. Эти данные, наряду с другими материалами, подтверждают перемещение литосферных плит.

Тепловое поле Земли. Выделяются два источника тепла Земли: 1) солнечное тепло; 2) тепловой поток Земли.

35

Солнечное тепло не распространяется глубже25–30 м. На определенной глубине от поверхности располагается пояс постоянной температуры, равный среднегодовой температуре данной местности: в Москве на глубине 20 м = +4,2оС, в Париже – на глубине 28 м = 11,83 оC.

Рис. 2.7. Геохронологическая шкала инверсий магнитного поля для последних 4.5 млн лет (по А. Коксу, 1969)

Ниже пояса постоянной температуры устанавливается постепенное увеличение температуры с глубиной, обусловленное тепловым потоком, поступающим из недр Земли. Он измеряется в кал/см2с. Тепловой поток выше в зонах активного проявления вулканизма(до 6–8 мккал/см2с) и ниже (0.6–1,0 мккал/см2с) в равнинных областях.

Источники внутренней тепловой энергии Земли предположительно определены:

1)радиогенное тепло, связанное с распадом радиоактивных эле-

ментов (238-235U, 232Th 40K и др.);

2)гравитационная дифференциация на границе мантии и ядра, сопровождающаяся перераспределением материала по плотности и выделением тепла.

36

Нарастание температуры в градусах Цельсия на единицу глубины (на 1 км) называется геотермическим градиентом. Интервал глубины в метрах, на котором температура повышается на1 оС, называется геотермической ступенью. И геотермический градиент и ступень различны в различных участках Земного шара, отличаясь более чем в25 раз. Наибольший геотермический градиент150о на 1 км отмечен в штате Орегон (США) с геотермической ступенью 6,67 м. Наименьший градиент 6 на 1 км известен в Южной Африке и ступень + 167 м.

		Таблица 2.2
	Химический состав Земли и земной коры
Элементы	Земля в целом	Земная кора
O	28,5–31,3 %	49 %
Fe	29,8–35,9 %	4,2 %
Mg	13,2–15,7 %	2,4 %
Si	14,3–15,1 %	26 %
Ni	1,7–2,0 %	0,0
Ca	1,6–2,3	3,3
Al	1,3–1,8	7,5
Na	0,3	2,4
K	–	2,4
H	?	1 %

В среднем геотермический градиент принимается 30оС на 1 км при ступени 33 м. Но такой градиент с глубиной должен уменьшаться. При существующем среднем градиенте на глубине100 км ТоС = 3000оС, но оттуда поступает магма с Т оС 1100–1250оС.

Глубже расчет Т оС идет весьма приближенно. Если считать, что ядро Земли имеет никелево-железный состав, то его температура принимается равной 4000–5000оС.

2.5. Химический состав Земли

Химический состав Земли (табл. 2.2) рассчитывается по составу метеоритов, среди которых выделяются:

1)железные – никелистое железо (кобальт и фосфор) ~5,6 %;

2)железокаменные (сидеролиты) – железо + силикатные минералы

~1,3 %;

3)каменные (аэролиты) – минералы богатые железом и магнием силикатные, никелистое железо += 92,7 %.

Считается, что химический состав Земли близок среднему химическому составу метеоритов.

37

2.6. Строение и состав Луны

Луна – единственный естественный спутник Земли, обращающийся вокруг нее в среднем на расстоянии около400 тыс. км. Диаметр Луны – 3475 км, масса 7.33 × 1022 кг, средняя плотность 3.3 г/см3. Орбита Луны составляет с плоскостью орбиты Земли угол5°. Поскольку период вращения Луны вокруг своей оси и период обращения вокруг Земли совпадает, одна сторона Луны всегда обращена к Земле. Rє–Rn = 1100 м. V = 1 км/с. Обращение Луны вокруг оси составляет 27 сут 7 ч 43 мин.

Температура на поверхности Луны днем достигает+115оС, ночью опускается до –135оС, колебание Т достигает 250о. Атмосфера, которая могла бы сохранить тепло, отсутствует.

Абсолютный возраст древнейших лунных пород по образцам, собранным астронавтами, составляет 4,7 млрд лет.

Поверхность Луны, обращенная к нам, характеризуется обилием кратеров диаметром от нескольких метров до241 км. Высота бортов крупнейшего из них достигает4000 м. Некоторые кратеры имеют вулканическое происхождение, но подавляющее большинство – следы падения метеоритов. Имеются более обширные ровные темные области– лунные моря, которые занимают 17 % поверхности и покрыты гладким плащом лавовых потоков. Известны также борозды– рилли, лучи и морщинистые гряды.

Рилли – это извилистые каналы, которые отходят от кратеров или других понижений и спускаются к поверхности лунных морей. Предполагается, что они возникли либо в результате обрушения пустот в лавовых потоках, либо возникли вследствие процессов лунной эрозии.

Лучи образованы материалом, выброшенным или выплеснутым из кратеров при ударах падавших тел.

Морщинистые гряды образованы скорее всего изолиниями лавы вдоль зон разломов.

Вотличие от обращенной к нам стороне на обратной стороне Луны кратеров меньше и имеется только несколько морей.

Лунная поверхность усеяна небольшими камнями и покрыта -ме теоритной пылью, зернами минералов и стекловатыми частицами. Все эти материалы составляют лунный грунт или лунный реголит. Его мощность в отдельных местах достигает 6 м.

Космонавты «Аполлона-17» нашли «оранжевый грунт», представляющий собой вулканическое стекло, обогащенное Fe и Ti.

Вотличие от Землисила тяжести на Луне составляет1/6 силы тяжести Земли. Исследования гравитационного поля Луны показали наличие глубинных скоплений плотных масс под лунными морями на

38

стороне, обращенной к Земле, так называемые масконы. Избыточные массы вызывают небольшое отклонение формы Луны от сферической. Луна имеет слабое магнитное поле неизвестного происхождения. Некоторые лавовые потоки обнаруживают слабое намагничивание. Возможно, что когда-то Луна имела небольшое активное жидкое ядро, создавшее магнитное поле. Затем это ядро затвердело.

На Луне действуют только процессы, связанные с гравитационным переносом – обвалы и оползни. Отсутствие атмосферы и воды позволяет лунному рельефу сохраняться миллиарды лет. При этом установлено, что главная масса метеоритного материала попала на Луну в ранний период ее истории.

Большинство лунных пород имеет магматическое происхождение. По составу они сходны с земными базальтами и содержат все те химические элементы, которые имеются в земных породах. Часть лунных пород представлена обломками метеоритов. Слоистых осадочных пород на Луне нет, но имеются слоистые породы вулканического происхождения.

Лунная кора имеет слоистое строение до глубины65 км. Самый верхний слой (2–3 км) сложен разрушенными породами и рыхлым лунным грунтом. Второй слой до глубины25 км – лунными базальтами, и третий – 25–65 км – ультраосновные породы земного типа.

Резкое изменение сейсмических свойств на глубине65 км фиксирует переход к лунной мантии, нижняя граница которой фиксируется на глубине 600 км. Ядро Луны имеет диаметр 1500 км. Вопрос о его строении остается открытым. На Луне отмечаются лунотрясения, которые, скорее всего, связаны с гравитационными явлениями, поскольку усиливаются при приближении Луны к Земле.

Исследуя образцы лунного грунта, российские ученые впервые обнаружили в нем частицы самородного молибдена, сульфида серебра и твердого раствора железа и олова.

Вопросы для самоконтроля

1.Каковы форма и размеры Земли?

2.Охарактеризовать методы изучения внутреннего строения Земли.

3.Каким границам соответствуют разделы Мохоровичича и Гуттенберга?

4.Что такое геотермический градиент и геотермическая ступень?

5.Дать определение магнитного склонения и магнитного наклоне-

ния.

6.Охарактеризовать строение и состав Луны.

39

ГЛАВА 3. ВЕЩЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ ЗЕМНОЙ КОРЫ. ПОНЯТИЕ О МИНЕРАЛАХ И ПОРОДАХ

3.1. Минералы

Вещество земной коры и мантии Земли состоит из минералов, которые разнообразны по составу, строению, форме и свойствам.

В настоящее время нет единого установившегося понятия«минерал». И все-таки можно принять следующее определение: «Минерал представляет собой природную физически и химически индивидуализированную гомогенную часть земной коры, обладающую определен-

ным	химическим составом и кристаллической структурой».	Совокуп-
ность	минералов, обладающих близким химическим	составом и

одинаковой структурой, образуют минеральный вид. В настоящее время выделено более 3 тыс. минеральных видов и почти столько же разновидностей. Другая особенность минералов их относительная однородность. Она обусловлена определенным химическим составом и закономерным расположением соответствующих атомов в структуре, . . закономерной кристаллической решеткой (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Кристаллические решётки алмаза (слева) и графита (справа) (А). Ионы хлора и натрия в кристаллической структуре

галита (Б)

40