1.2. Фізичні особливості Землі |
||||||||||||||
Земля, як і інші планети Сонячної системи, має форму кулі, але не точно геометричної, а дещо сплющеної у напрямку полюсів. Таку форму називають сфероїдом, а оскільки поверхня Землі не є рівною (морські западини, гірські хребти), то таку неправильну геометричну форму називають геоїдом. Перші спроби визначити форму Землі та її будову відносяться до VІ-ІV ст. до н. е. Перше наукове обґрунтування кулястості Землі зробив грецький філософ Аристотель (384-322 p.p. до н.е.). Він указував, що якби Земля не мала форми кулі, то тінь, яку вона відкидає на поверхню Місяця при його затемненні, не була б обмежена дугою кола. Виходячи з цього, послідовник Аристотеля грецький учений Ератосфен Кіренський (276 - 194 р.р. до н.е.), який мешкав в Олександрії, вперше досить точно визначив радіус земної кулі. Зробив він це надто оригінально, не покидаючи подвір'я Олександрійської бібліотеки, де працював бібліотекарем. Одного разу він почув від приїжджих торговців, що опівдні у найдовший день року (22 червня) у м. Сієни (нині Асуан), що знаходиться поблизу екватора, сонячна тінь зникає зовсім. Це повідомлення дуже зацікавило Ератосфена. За Аристотелем, міркував учений, Земля має кулясту форму і отже, сонячні промені падають на її поверхню під різними кутами у різних її точках. Знаючи ці кути падіння, можна обчислити відстань між ними, а якщо відстань відома, то не важко розв'язати і зворотну задачу. Учений сконструював велику півкулю, поставив її на подвір'ї бібліотеки, увіткнув у півкулю вертикальну жердину. Опівдні 22 червня він виміряв довжину тіні, яка падала від жердини. Вона виявилась в 1/50 довжини кола кулі. В Асуані в той же час тіні знайти було неможливо: сонячні промені там падають вертикально. Знаючи відстань між Асуаном і Олександрією (вона становить 5000 єгипетських стадій; 1 стадія дорівнює 158,25 м), Ератосфен, використовуючи найпростіші тригонометричні співвідношення, визначив радіус Землі розміром 6300 км. Неточність такого розрахунку складає декілька десятків кілометрів. Нижче приводяться основні геометричні та фізичні характеристики Землі, відомі в даний час.
Екваторіальний радіус .................................................... 6378 км. Поверхня .......................................................................... 510 млн. км2. Водна поверхня ............................................................... 361 млн. км2. Суша ................................................................................. 149 млн. км2. Об'єм
................................................................................. Маса
.............................
..................................................... Середня щільність ........................................................... 5520 кг/м3. Середня щільність поверхневих порід ..................... 2700-2800 кг/м3.
Сучасними дослідженнями встановлено, що земна куля складається з ряду концентричних оболонок, які називаються геосферами. Чотири з них - атмосфера, гідросфера, біосфера та частина літосфери доступні для безпосередніх спостережень, а внутрішні геосфери вивчаються тільки за допомогою геофізичних методів - різкими змінами швидкості розповсюдження пружних хвиль. Атмосфера - газова оболонка Землі, точна межа якої не визначена і знаходиться приблизно на висоті біля 3 тис. км, де щільність атмосфери майже зрівнюється з щільністю міжпланетного простору. B атмосфері виділяють три концентричні оболонки. Перша з них від поверхні Землі - тропосфера, яка охоплює понад 80% загальної маси атмосфери і розповсюджується до висоти 8 - 15 км. Далі йдуть: стратосфера - від 8 - 15 км до 100 км та іоносфера. Найбільше впливає на змінення поверхні Землі атмосфера, її агенти - сонячні промені, електричні розряди, температурні коливання, вітер, водяна пара - виконують велику геологічну роботу в процесах руйнування, перенесення продуктів руйнування та їх накопичення. Гідросфера - водна не суцільна оболонка, яка містить воду океанів, морів, озер, річок, льодовиків, підземну та атмосферну воду. Гідросфера не утворює суцільного шару і покриває земну поверхню на 70,8%. Гідросфера - надзвичайно важливий геологічний фактор в історії Землі і особливо земної кори. З одного боку, під впливом гідросфери відбувається інтенсивне руйнування гірських порід, з другого - вона є потужним утворюючим фактором, завдяки якому в межах водоймищ накопичується значна товща різноманітних осадів. У водоймищах утворилось багато мінералів та осадових гірських порід (фосфорит, галіт, глауконіт, вапняк, крейда та ін.) Біосфера - зона життєдіяльності організмів - тварин та рослин. У тій чи іншій мірі вона має місце в атмосфері та земній корі. Нижня та верхня межі існування живих організмів визначаються температурою та тиском. На суші нижня межа існування живих організмів 2-3 км (окремі бактерії), у морських басейнах - до 11 км. У склад організмів входять більше 60 хімічних елементів. Це в основному кисень, водень, вуглець, натрій, кальцій, магній, калій та ін. Надзвичайно велике значення організмів як концентраторів деяких хімічних елементів: вуглецю у торфі, вугіллі, нафті, кальцію та вуглецю у вапняках, крейді, фосфору у фосфоритах. Дуже велика роль організмів в утворенні гірських порід та корисних копалин. Вищезгадані оболонки земної кулі відносяться до зовнішніх геосфер. Внутрішні геосфери – це літосфера, мантія та ядро ( див. рис. 1.1).
Рисунок 1.1 - Будова Землі: 1 – земна кора; 2 – верхня мантія; 3 – нижня мантія; 4 – зовнішнє ядро; 5 – внутрішнє ядро
Літосфера – верхня тверда оболонка Землі, називається інакше земною корою (лат. "літос” – камінь). Товщина (потужність) її неоднакова і коливається в межах 5 - 6 км під дном океанів та до 70 - 80 км у гірських районах континентів (Гімалаї, Тянь - Шань та ін.). Середня потужність земної кори 35 км. У літосфері виділяють три пояси (рис. 1.2). Верхній її пояс складають різноманітні за складом осадові гірські породи - глини, піски, вапняки, піщаники та ін., які не суцільним чохлом покривають літосферу з поверхні. Потужність осадового шару неоднакова і змінюється від одиниць метрів (на Українському, Балтійському щитах та ін.) до 15 км у западинах (Західно - Сибірська, Дніпрово - Донецька та ін.). Щільність осадового шару 1800 - 2500 кг/м3, швидкість розповсюдження сейсмічних хвиль -1- 4 км/с.
ОКЕАН
Рисунок 1.2 - Будова земної кори: 1 - осадовий чохол; 2 – гранітний шар; 3 - базальтовий шар; 4 - верхня мантія
Середній пояс земної кори складається з порід типу граніту і тому називається гранітним. Він не суцільний і розповсюджується в основному на континентах, а на глибоководних ділянках океану - відсутній. Середня потужність гранітного шару на континентах становить близько 15 км, у гірських районах – до 35-40 км. Щільність цього шару - 2500 - 2750 кг/м3, континентальна швидкість сейсмічних хвиль - 5,5 - 6,3 км/с. У складі осадового та гранітного поясів переважають кремній (лат. "сіліціум") та алюміній (лат. "алюмініум") і тому їх часто об'єднують під загальною назвою сіаль або сіалістська оболонка. Нижче гранітного залягає базальтовий пояс. Його потужність складає 20 - 30 км на материках і 5 - 7 км - під дном океану. Щільність змінюється в межах 2750 - 3000 кг/м3, швидкість сейсмічних хвиль - 6,1 - 7,4 км/с. Виділяють два типи літосфери: океанічний та материковий. Кора материкового типу складається з гранітного шару потужністю до 35 км, вкритого на окремих ділянках (прогинах) осадовим чохлом потужністю до 15 км і більше. В океанічній корі гранітний шар відсутній і земна кора складається тільки з базальтового шару, вкритого зверху тонким чохлом (не більше 1 км) осадових порід. Хімічні аналізи показали, що більше ніж на 98% маса земної кори складається тільки з восьми елементів (див. табл. 1.1). Решту складають приблизно ще 10 елементів. На долю інших припадає 0,353%. Слід відзначити, що у різних авторів доля тих чи інших елементів у земній корі неоднакова, але відрізняється не суттєво.
Таблиця 1.1 - Хімічний склад земної кори
Мантія - це суцільна оболонка, що залягає безпосередньо під базальтовим поясом і властивості якої різко відрізняються від літосфери. У ній виділяють верхню мантію до глибини 900 км та мантію - до глибини 2900 км. При переході від літосфери до мантії відбувається різке збільшення швидкості розповсюдження поздовжніх сейсмічних хвиль від 6,5 - 7,2 до 8,0 - 8,2 км/с. Ця сейсмічна межа одержала назву поділу Мохоровичича (скорочено Мохо) на честь югославського сейсмолога А. Мохоровичича, який у 1909 p., вивчаючи землетрус у Загребі, виявив, що на глибині 60 км швидкість сейсмічних хвиль значно збільшується. Це привело його до висновку, що тут і проходить межа земної кори та мантії. За сучасними даними глибина залягання поверхні Мохоровичича змінюється від 5 - 7 км під дном океанів до 70 - 80 км у гірських районах. Верхня частина мантії потужністю близько 900 км називається перідотитовою зоною у зв'язку з переважанням у її складі ультраосновних або лужних речовин. У її складі найбільший вміст мають кремній та магній, тому верхню мантію ще називають сіматичною зоною або зоною "сіма"; тепер вважають, що речовина верхньої мантії знаходиться частково у розплавленому стані. Щільність речовини в цій зоні становить 3600 - 4700 кг/м3, тиск до 38 ГПа (380 тс/см2), а температура 1000 - 3800°С. Нижня частина мантії потужністю близько 1900 км називається рудною зоною, у складі якої багато заліза, нікелю, кремнію та магнію. Тому вона ще називається зоною "ніфесіма", від скорочених латинських назв цих елементів. Щільність речовини в цій зоні досягає 4700 - 9400 кг/м3, тиск становить 134 ГПа, а температура - 2800 - 3800°С. Ядро Землі починається з глибини 2900 км, має радіус 3470 км. Воно неоднорідне за своїм складом, і в ньому виділяють зовнішнє ядро - з глибини 2900 км до 4980 км, внутрішнє — з глибини 5120 км до центра Землі та проміжну зону - 4980 - 5120 км. Добра електропровідність та висока щільність ядра (від 11500 до 17300 кг/м3) дають підставу вважати, що воно складене нікелем та залізом з домішками сірки та кремнезему. Тому його називають ще "нафе" від латинських символів цих елементів. Тиск у центрі Землі досягає 350 ГПа (3500 тс/см2), а температура - 3800 - 4000°С. Якщо брати хімічний склад (гіпотетичний) Землі в цілому, то більше як на 98% вона складається теж із восьми елементів, але співвідношення їх не таке, як у літосфері (див. табл. 1.2).
Таблиця 1.2 - Хімічний склад Землі
Теплова енергія Землі має внутрішнє та зовнішнє походження. Основним джерелом внутрішнього тепла є енергія радіоактивного розпаду хімічних елементів у надрах планети. Підраховано, що 1 г радію за годину виділяє 140 ккал тепла, а при повному перетворенні 1 г радію в свинець виділяється 3 млн. ккал, що еквівалентно згоранню 500 кг кам’яного вугілля. Зовнішнє
джерело надходження тепла - промениста енергія Сонця. Кожна ділянка поверхні
Землі площею 1 см2, яка орієнтована перпендикулярно променям Сонця,
одержує за хвилину 8,13 Дж тепла. Ця величина називається сонячною постійною.
Усього за рік Земля одержує від Сонця близько Температура земних надр із глибиною нарощується. Приріст температури в градусах Цельсія на кожні 100 м глибини називається геотермічним градієнтом. Відстань у метрах, протягом якої температура підвищується на 1°С, називається геотермічним ступенем. Величина геотермічного градієнта, як і ступеня, відраховується від поясу з постійною температурою, залягання якого залежить від географічного положення місцевості і змінюється в межах 15 - 40 м. У середньому величина геотермічного градієнта дорівнює 3°С на 100 м, а відповідна величина геотермічного ступеня - 33 м. Однак у різних районах Землі значення цих величин неоднакові. Так, у США величина ступеня у верхніх шарах літосфери змінюється у межах 7 - 138 м, у Донбасі - 28 - 33 м, у Харкові - 37,7 м. Максимальний геотермічний ступінь, зареєстрований у Південній Африці – 167 м. При бурінні свердловин у різних точках Землі зафіксовані такі значення температур: у Північному Прикаспії - 108, 3°С на глибині 3000 м, у США - 244°С на глибині 7136 м, у Краснодарському краї - 219,4°С на глибині 6267 м. Вважають, що зростання температури з глибиною уповільнюється. Так, якби температура зростала до центру Землі навіть із мінімальним геотермічним градієнтом, то у центрі планети вона б дорівнювала 460000С, а це привело б до порушення магнітних властивостей Землі. Згідно з розрахунками до глибини 20 км зберігається геотермічний ступінь, який відомий для поверхневих горизонтів Землі. Нижче зростання температури, напевно, уповільнюється.
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ 1. Визначення інженерної геології і її основні задачі. 2. Які геологічні науки входять до складу курсу? 3. Що повинен знати і вміти інженер-будівельник, вивчивши курс? 4. Назвіть основні етапи розвитку геології та інженерної геології. 5. Основні гіпотези про походження Сонячної системи та Землі. 6. Яким чином Ератосфен визначив радіус Землі? 7. Будова Землі. Назвіть зовнішні та внутрішні геосфери. 8. Що таке геотермічні ступінь та градієнт? Приклади. |
||||||||||||||
