Кратко и просто про геологию от геолога. Строение Земли

Расскажу-ка я про базовые факты и следствия из них — на основе которых строится вся геология. Ибо нередко у непосвящённых возникает ощущение, что учёные взяли и выдумали все свои теории от скуки и для поддержки чувства собственного величия.

На фото 1983 года Великий Атуин, слоны и Мир на фоне Вселенной — про них ничего не будет

Нижесказанное будет относиться к геологии, но может быть применено к любой области знаний. Чтоб воспринимать дальнейшее нужно условиться (хотя бы сделать вид), что арифметика, евклидова геометрия, физика/химия за 7-9 класс школы нами принимаются как реальность, не требующая доказательств. И, да! – землю будем считать шарообразной – иначе не интересно. Логика тоже будет использоваться, даже если это оскорбит её противников.

Начнём с базы: Карл Маркс Гегель гравитация.

«Гравитация» — фильм режиссёра Альфонсо Куарона, 2013 год

В первом приближении можно считать Землю однородным шаром массой M = 6*10²⁷ г и радиусом R = 6,37*10⁸ см.

Тогда энергия, необходимая для удаления единичной массы с поверхности земли, на бесконечность (гравитационный потенциал на поверхности земли) будет равна:
U_g = = 6,28*10¹¹ эрг/г, где G – гравитационная постоянная.

Это даёт нам многое для дальнейших рассуждений. Например, понимание того, почему атмосфера земли именно такова по толщине и составу. Любой объект, обладающий энергией больше U_g может удалиться навсегда от земли. Для этого ему надо набрать т.н. вторую (именно вторую: он же далеко летит — на бесконечность) космическую скорость (около 11км/с) для нашей планеты. Скорость молекул газа зависит от их температуры и от массы самих молекул. Молекулы лёгких газов – водород, гелий уносятся быстро, тогда как тяжёлые молекулы азота и кислорода уносятся в космос значительно медленней. Таким образом потенциал силы тяжести (размеры и масса планеты), а также расстояние от солнца (количество энергии, получаемое Землёй) накладывают ограничения на химический состав атмосферы.

Теперь про собственно Землю

Как вводную примем, что Земля образовалась путём аккреции (аккреция – слипание крупности из мелкости) из протопланетного диска одновременно с образованием Солнечной системы. Почему именно так, скажу, когда буду вещать про возраст Земли.
При аккреции земли и дальнейшей гравитационной дифференциации (расслоении под действием силы тяжести) получаем столько энергии, что если её взять разом, можно полностью испарить несколько таких планет как наша. Энергия получается по тому же принципу, что мы рассчитывали гравитационный потенциал – только там тратим энергию, чтоб удалить массу а тут получаем энергию при присоединении массы. Этой энергии в виде тепла вполне хватает, чтоб обеспечить всю планетную динамику и эволюцию на долгие-долгие годы вперёд.
Чтоб узнать о свойствах Земли на глубине используют сейсмические (ударные) волны от взрывов (лучше всего подземных ядерных) или землетрясений.

Оголовок скважины, в которой проводили ядерный взрыв

Волны в толще планеты попадая на границы областей с разной плотностью отражаются, преломляются, рассеиваются и поглощаются. Детекторы на поверхности Земли фиксируют то что прошло насквозь или отразилось обратно и в стороны. Обрабатывая показания детекторов со всего глобуса и осмысливая их, получаем картину внутреннего строения земли.

Обратите внимание: поперечные волны (это как рябь на пруду) гаснут на краю земного ядра. Это однозначно говорит о том, что ядро жидкое (расплавленное). Продольные волны (по сути звуковые в них частицы колеблются вдоль оси распространения) могут распространяться в жидкости, чем они и занимаются на картинке. Продольная волна, проходящая жидкое ядро не под прямым углом изгибается, что говорит нам о присутствии там ещё одной границы – внутреннего твёрдого ядра.

Как говорил мой дед – крутой инженер ядерщик: «Земля имеет форму чумадана, несколько сплюснутого у полюсов». И он был совершенно прав! Именно что несколько сплюснута, но не так как положено.

А вот и доказательство

Сплюснутость у нас 1: 298,25 что немного меньше, чем если бы Земля реагировала на центробежные силы как жидкость – было бы 1:300. Это становится понятным, если принять во внимание, что Земля ведёт себя как очень тягучая жидкость и в прошлом вращалась быстрее, а сейчас просто не успела принять положенную форму.

О более быстром вращении земли нам явно говорит наблюдаемое отдаление Луны от нас. Если совсем просто – в системе Земля-Луна за счёт приливных взаимодействий Луна отбирает энергию вращения земли и тратит её на удаление от нас. Это невероятно интересно, если мысленно проследить процесс обратно во времени – можете попробовать сами!

Это запаздывание в изменении формы Земли позволяет прикинуть вязкость основной части планеты. Получится что-то вроде 1026 см²/с– это ну очень твёрдая и совсем не текучая штука, если по ней стучать. Но если сильно давить пару сотен миллионов лет, то получится вполне себе жидкость.

Измерения и их результаты

В первой половине XVIII в. известный французский научный деятель Пьер Буге, измеряя радиус Земли в горной части Перу, заодно решил проверить, как масса гор может отклонить линию отвеса и искажать его измерения формы планеты. К своему удивлению наш натуралист увидел, что результаты не зависят от расстояния до горы, как если бы её вообще не было.

Фото в цвете: Фиксация положения отвеса возле гравитирующей массы Пизанской башни 1355 год. Реконструкция 1989 года

Если обобщить результаты таких измерений по всей Земле, становится ясно, что масса вертикального столба данного сечения в Земле всюду одинакова, независимо от рельефа и высоты, как в океанах, так и на материках. Получается, что высокий столб более лёгкой породы (горы) вытесняет из-под себя часть более тяжёлой породы (мантия) и в целом вес всего столба данного сечения земли остаётся постоянным. Как следствие этого появляются «корни гор» — утолщение земной коры под возвышенностями. Понятно, это происходит не мгновенно, что мы и наблюдаем, например, на Кольском и в Скандинавии откуда недавно ушёл толстенный ледник – нагрузка упала, и поверхность земли постепенно «всплывает». С петровских времён некоторые места поднялись более чем на метр.

Астеносфера – слой в верхней части мантии выделяющийся пониженной вязкостью. Это вызвано частичным плавлением вещества слоя. Развита на большей части земли. За счёт своей пластичности позволяет происходить динамическим процессам тектоники плит и изостатике.
Изостазия (изостатическое равновесие) — гидростатически равновесное состояние земной коры, при котором менее плотная земная кора (средняя плотность 2,8 г/см³) «плавает» в более плотном слое верхней мантии — астеносфере (средняя плотность 3,3 г/см³), подчиняясь закону Архимеда.

Двинем в глубины!

Обобщив данные сейсмики, получим такую схематичную картинку из школьного учебника:

• Земная кора – 30-70 км на материках, 6-8 км в океанах. Это камень — твёрдый и в общем холодный. Под ней т.н. зона МОХО или граница Мохоровичича (по фамилии первооткрывателя) на этой границе плотность вещества скачком увеличивается.
• Мантия, в которой выделяют несколько слоёв с разными сейсмическими характеристиками. В её верхней части присутствует слой повышенной текучести – астеносфера. Мантия — твёрдое вещество, довольно сильно нагретое, в долгосрочной перспективе ведёт себя как густая жидкость. Прогрев довольно равномерный, что говорит о перемешивании вещества.
• Внешнее ядро – жидкое расплавленное, без всяких оговорок.
• Внутреннее ядро – твёрдое. Горячее, но при тех давлениях жидким быть уже не может.

Нынче успехи сбора и анализа сейсмоданных таковы, что уже вполне активно составляются 3d карты внутримантийных потоков, рельефов границ оболочек земли, оконтуривание коровых блоков, в том числе затянутых в мантию и т.п. Из свежего, например, крупнейшие сейсмические и гравитационные аномалии в мантии. Их две: Африканская и Тихоокеанская. Эти «пузыри», как их называют учёные, имеют пониженную плотность и очень медленно поднимаются от границы ядра.

Тут видно, что Земля не просто слоёный шарик, а имеет весьма сложную и интересную структуру и внутреннюю динамику. Анализ этих данных позволяет предположить, что африканская аномалия имеет относительно меньшую плотность и, следовательно, может быть менее стабильной, чем тихоокеанская аномалия, подразумевая, что две аномалии имеют разный состав, динамику и историю эволюции:

А вот ещё вот такие схемы распределения скоростей сейсмических волн:

Это от наших западных коллег – очень наглядно. Вверху слева хорошо видно как тихоокеанская плита затягивается под материковую плиту.
dVp — разница между наблюдаемой скоростью прохождения продольных волн и расчётной теоретической. Что говорит нам о разных упругих свойствах вещества. А они могут быть вызваны изменением плотности из за нагрева, разным химическим составом, перекристаллизацией вещества. Дальше нужно включать геолога в голове и разбираться с чем это связанно и чем можно подтвердить свои выводы.

Совместив множество изображений с разной глубины, например таких:

Получаем объёмную модель в реальном времени – что-то вроде этого:

Как и обещано, поговорим про возраст аккрецию и прочие протопланетные вещи.

До 1905 года геологов вполне устраивал вариант, что Земля имеет возраст 20-100 миллионов лет. Предполагалось, что именно за такой интервал времени могли отложиться все осадки общей геологической колонки и накопиться в изначально пресном океане современное количество растворенных в морской воде солей. Это очень расстраивало Дарвина и его последователей, ибо по их прикидкам этого категорически не хватало для развития современных видов. Они полагали, что сложность и разнообразие жизни можно объяснить, лишь допустив, что ее эволюция осуществлялась не менее чем в течение 200 миллионов лет (а лучше побольше). Подробнее о битве за возраст Земли уже недавно писали на Хабре.

Ч. Дарвин с грустью думает о недостаточном для него возрасте Земли

Чтоб они не грустили, в 1905 г. Резерфорд установил соотношения между радиоактивностью и атомным распадом. Это позволило разработать методы радиометрического определения абсолютного возраста в геологии.

Радиоактивный атом распадается и выпускает радиацию в совершенно случайный момент, но кусок радиоактивного вещества из огромного количества атомов ведёт себя вполне предсказуемо. А время за которое половина атомов распадётся (период полураспада) строго фиксировано и известно.

Цепочка ядерных реакций при распаде изотопа урана с атомным весом 238 – Сумма нейтронов и протонов в его ядре равна 238

Что получится в итоге ядерных реакций тоже известно. Теперь если посмотреть содержание в веществе продуктов ядерного распада, можно весьма точно узнать, когда оно образовалось.

Вариантов этих методов много – сравнивают количество и соотношение разных элементов и их изотопов, полученных из разных горных пород.
Довольно быстро выяснили, что на земной поверхности присутствуют минералы возрастом не менее 3,5 миллиардов лет.

Когда плотно разобрались в возможностях радиоизотопных методов, собрали данные по соотношению того вещества, что делает радиоактивный распад и того, что от него получается, посмотрели на это в метеоритах и в породах земной коры, а позже и в образцах с других планет стало ясно что:

• Земля, метеориты, другие планеты и Солнце образовались из одного общего месива. Земля обирая вещество из первоначальной разрозненной каши могла быть только однородной. При расслоении выделяется гравитационная энергия в виде тепла и её много.
• Земля и остальная солнечная система образовались, как обособленные тела, примерно в одно время
• Было это около 4,5 миллиардов лет назад

Вернёмся к Великому Атуину из начала статьи (он прекрасен). Сразу после него я говорил про выдумщиков-учёных. Теперь мы видим, что поле для фантазии у них сильно ограничено рамками жестоких фактов и бессердечной физики. Но с другой стороны, используя разум, любопытство и всякие лайфхаки, о которых я говорил выше, можно раскручивать мощнейшие детективные сюжеты: раскурочив несколько камней и послушав писк пары забавных приборов, узнать о трудном жизненном пути целой планеты!