Масса и плотность земли. Распределение силы тяжести. : Геология

Опубликовано: 23.08.2018

видео Масса и плотность земли. Распределение силы тяжести. : Геология

Плотность вещества, его масса и объем

Плотность Земли была впервые определена И. Ньютоном в 1736 г. в пределах 5—6 г/см3. Последующие, более точные, определения дали среднюю плотность 5,527 г/см3. Эта величина значительно превышает плотность верхних горизонтов земной коры, которая на основании многочисленных измерений плотностей выходящих на поверхность горных пород может быть определена более или менее точно. В табл. приводятся средние плотности полнокристаллических изверженных пород (по Р. А. Дэли).


Масса планеты Земля - Интересные факты

Исходя из средних плотностей горных пород (Считается, что до глубины 16 км земная кора состоит из 95% изверженных, 4% метаморфических и 1% осадочных пород.), слагающих земную кору, плотность «гранитного слоя» земной коры принимают равной 2,7 г/см3, «базальтового слоя» — 2,9 г/см3, «базальтового слоя» океанической коры — от 3,0 до 3,1 г/см3, а верхней части подкоркового слоя (мантии) — 3,3 г/см3 (с учетом давления на глубине 30—40 км).


Это невозможно забыть! Сравнение размеров планет и звезд / Comparing the sizes of planets and stars

Установить подобным путем плотность глубоких недр Земли нельзя. Для определения их плотности учитываются не только скорости сейсмических волн, но и данные о распределении силы тяжести, размерах и форме

Земли, движении полюсов, приливах, вызванных притяжением Луны и Солнца и т. п. Сопоставление всех этих данных с обязательным учетом массы и момента инерции планеты позволяет составить систему уравнений, выражающих зависимость значений различных физических свойств земных недр от глубины. Но однозначного решения этих уравнений пока еще нет, и полученные в настоящее время значения плотности материи внутри Земли в значительной мере гипотетичны. Схема распределения плотностей внутри Земли приведена в табл.

Средние плотности изверженных пород, по Р. А. Дэля
Породы

Средняя плотность

г/см2

Породы

Средняя плотность

г/см2

Гранит 2,667 Диабаз 2,965
Гранодиорит 2,716 Анортозит 2,734
Кварцевый диорит 2,806 Пироксенит 3,231
Диорит 2,839 Перидотит 3,234
Сиенит 2,757 Дунит 3,289
Габбро 2,976

Наука, изучающая земное поле силы тяжести, называется гравиметрией (от лат. gravis — тяжелый и греч. metreo — измеряю).

Сила тяжести обусловлена общей массой Земли. Поэтому все колебания в распределении масс в вертикальных разрезах должны отражаться на величине силы тяжести. В связи с этим естественно было бы ожидать более или менее значительного влияния рельефа на распределение силы тяжести на земной поверхности. В частности, на материках, сложенных отчетливо выраженными в рельефе нагромождениями горных пород, сила тяжести должна бы быть больше, чем на океанах, поверхность которых лежит на более низком гипсометрическом уровне и верхние горизонты сложены 4-километровым слоем воды, значительно менее плотным, чем горные породы материков. Однако из сопоставления полей силы тяжести океанов и материков следует, что по абсолютной величине аномалии силы тяжести на тех и других почти равны. Некоторые более значительные, но вполне понятные и закономерные изменения силы тяжести на Земле вызваны полярным сжатием и центробежной силой, развивающейся при вращении планеты и направленной на экваторе в сторону, противоположную силе тяжести (величина силы тяжести увеличивается от экватора к полюсам на 0,5%). Сила тяжести меняется также под воздействием притяжения Луны и Солнца («лунно-солнечные вариации силы тяжести»), которое влияет не только на любое тело на земной поверхности, но и на всю Землю, вызывая приливные деформации, изменяющие форму не только жидкой, но и твердой земной оболочки.

Деформации твердой оболочки составляют около 1/3 величины деформации гидросферы и проявляются в изменении высоты и наклона земной поверхности. Под действием небесного тела поверхность Земли приподнимается и наклоняется таким образом, что нормаль к поверхности приближается к направлению на центр небесного тела. Расположение масс Земли меняется и вызывает изменение величины потенциала силы тяжести. Эти изменения достигают максимума, когда небесное тело находится в зените или надире места наблюдения. Максимальная величина Dg может достигать

0,15 мгал, т. е. хорошо фиксируется современными гравиметрами, а величина отклонения отвеса достигает 0,02" и уверенно отмечается горизонтальными маятниками.

Притяжение небесного тела вызывает появление пары сил, направленных против вращения Земли. Эти силы действуют постоянно и замедляют вращение Земли, период которого снижается примерно на 0,002 сек в столетие. Соответственно уменьшается и полярное сжатие геоида. Угловая скорость вращения Земли 15,041"/сек. Кинетическая энергия вращения 2,160 • 1036 эрг. Скорость вращения точки на экваторе 167,4 км/ч. Скорость вращения Земли скачкообразно меняется по несколько раз в год (флуктуации). По подсчетам А. Д. Сытинского, при этом освобождается энергии 1,17-1027 эрг/год, что на 3 порядка больше энергии, освобождающейся за то же время при землетрясениях (П. С. Воронов, 1968 г.). Поэтому в настоящее время с вращением Земли (с «ротационными силами») связывают многие тектонические процессы.

Строение земной коры более или менее отчетливо выражается в аномалиях силы тяжести (гравитационных). Эти аномалии соответствуют разности между наблюдаемой силой тяжести и ее теоретическим значением в тех же точках земной поверхности, т. е. отражают различия в строении идеальной и реальной Земли. При этом гравитационные аномалии отличаются не только по величине, но и по направлению силы тяжести (вызывают отклонения отвеса от вертикали).

Поскольку определения силы тяжести производятся на поверхности Земли, не совпадающей, за исключением поверхности Мирового океана, с уровнем геоида, гравитационные аномалии обычно приводятся к поверхности геоида и выражаются в так называемых аномалиях Буге, вычисленных с поправками за высоту точки наблюдения и за притяжение промежуточного слоя.

Выделяют региональные и местные аномалии. Первые распространяются на десятки и сотни тысяч квадратных километров и отличаются большой интенсивностью (многие десятки и сотни миллигалов Миллигал (мгал) — тысячная часть гала. Гал — единица измерения ускорения силы тяжести (ё), 1 гал = 1 см/сек2.). На фоне региональных аномалий проявляются местные аномалии разного масштаба и характера, связанные с особенностями строения самых верхних горизонтов земной коры. Местные аномалии широко используются в поисково-разведочной практике (при поисках нефти, газа и других полезных ископаемых).

При изучении земного поля силы тяжести установлена закономерная связь региональных аномалий Буге с наиболее крупными формами рельефа земной поверхности. Причем связь эта имеет обратный характер: над высокогорными областями материков аномалии обычно отрицательные, т. е. неожиданно фиксируют «недостаток масс» и достигают почти 500 мгал, а над глубоководными океаническими впадинами — положительные, т. е. фиксируют «избыток масс» и достигают также почти 500 мгал.

Для объяснения этого явления в середине XIX в. английскими астрономами Дж. Эри и Ф. Праттом была предложена оригинальная гипотеза строения земной коры, впоследствии (1889 г.) названная американским геологом Е. Диттоном изостазией (от греч. 18081азюз — равновесящий). Дж. Эри предположил (1855 г.), что земная кора состоит из блоков, имеющих одинаковую плотность, но разную толщину. Блоки плавают в более плотном и вязком подкоровом субстрате, подчиняясь закону Архимеда. Толщина блоков и глубина их погружения наиболее велики в горных районах и минимальны в океанических впадинах. При этом материал субстрата перетекает от погружающихся частей к поднимающимся.

Гипотеза Ф. Пратта предполагала, что разности высот рельефа обусловлены разной плотностью земной коры: возвышенностям соответствует меньшая плотность, низменностям — большая. Нижняя поверхность коры при этом считалась горизонтальной. «В первоначальном виде эта гипотеза так противоречила всему развитию Земли (при эрозии на месте гор должны были бы получаться колоссальные отрицательные аномалии, а на месте впадин такие же положительные), что вскоре последователи Ф. Пратта привлекли идею плавления коры на субстрате и соответственно идею о компенсирующих перетеканиях вещества под земной корой», — пишет В. А. Магницкий (1953 г.): «С этого момента принципиальная разница между»... гипотезами Дж. Эри и Ф. Пратта пропала. Обе гипотезы являются «...крайними случаями более общей гипотезы, предполагающей, что компенсация осуществляется как за счет изменения плотности самой коры, так и за счет изменения ее толщины».

Гипотезы Дж. Эри и Ф. Пратта впоследствии были развиты зарубежными учеными (Ф. Венинг-Мейнесом, Д. Хейфордом) и претерпели весьма значительные изменения. Причем было выяснено, что принцип изостазии полностью подтверждается данными геодезии, полученными на основании угловых измерений и определений силы тяжести, по которым с точностью до малых первого порядка Земля находится в состоянии гидростатического равновесия и в первом приближении состоит из однородных концентрических слоев, плотность которых увеличивается к центру Земли.

«В основе приведенных гипотез лежит представление об одном уровне изостатической компенсации. В настоящее время такое представление является неполным. Все больше пробивают себе дорогу взгляды о множественности изо статических уровней, лежащих в интервале от верхних частей земной коры до верхних горизонтов мантии» (Ф. С. Моисеенко и др.).

Однако если принцип изостазии более или менее правильно отражает распределение силы тяжести в масштабе наиболее крупных частей земной поверхности — океанов и материков, то он оказывается вовсе несостоятельным для объяснения более мелких и практически более важных деталей строения земной коры, фиксируемых относительно небольшими, но широко распространенными отклонениями от изостатического равновесия — местными аномалиями. Эти аномалии с большой точностью отражают особенности геологического строения верхних слоев земной коры и в некоторых случаях могут быть использованы при поисках и разведке полезных ископаемых. Для этого карты гравитационных аномалий сопоставляют с геологическими картами, что позволяет делать выводы об особенностях геологического строения больших глубин, недоступных непосредственному изучению. Таким путем были, например, обнаружены в районе Эмбы соляные купола, скрытые под мощными наносами, в Донецком бассейне были прослежены залегающие на глубине угленосные толщи и т. п.

Гравитационное поле (поле силы тяжести) Земли неоднородно. В нем отчетливо выделяются следующие типы.

Огромные пространства поверхности материков со спокойным рельефом (платформы), которые характеризуются чередованием небольших положительных и отрицательных аномалий, охватывающих сравнительно незначительные по площади районы. Расчеты показывают, что лишь ничтожное количество таких аномалий связано со строением поверхностных горизонтов земной коры, а большинство вызвано действием масс, лежащих на глубинах первых десятков километров. Так как в этих регионах положительные аномалии чередуются с отрицательными, их среднее значение, как правило, близко к нулю. Подобная спокойная картина гравитационного поля нарушается лишь в областях, испытавших сравнительно недавние поднятия (южная часть Индии, область поднятий в Африке) и в участках центральных оседаний земной коры, например в зоне восточноафриканских озер (Ньяса, Танганьика, Киву, Виктория, Эдуард, Альберт). Большинство таких областей характеризуется отрицательными гравитационными аномалиями (резким минимумом силы тяжести).

Гравитационное поле горно-складчатых областей неоднородно и сложно. Среди этих областей можно выделить два основных типа: 1) молодые (альпийские) горные сооружения — Альпы, Карпаты, Крым, Кавказ и другие и 2) горные хребты, сформированные на палеозойском или более древнем складчатом фундаменте (активизированные горы), — Урал, Алтай, Саяны, Тянь-Шань и др. Высокогорные районы первого типа характеризуются расчлененным рельефом поверхности Мохоровичича с колебаниями мощности земной коры от 20 до 60 км и с преобладанием «базальтового слоя» (в глубоких депрессиях «гранитный слой» иногда совсем отсутствует). В среднем «базальтовый слой» составляет 50—60% от общей мощности коры. Мощность земной коры в горно-складчатых областях второго типа до 60—70 км, причем явно преобладает «гранитный слой» (на долю «базальтового слоя» приходится 40% и менее от общей мощности коры, за исключением Урала, где «базальтовый слой» очень мощный). Во многих областях 2-го типа гравитационные аномалии Фая (в свободном воздухе) отрицательные, тогда как в областях 1-го типа положительные. Однако, как указывает В. А. Магницкий, эти аномалии недостаточно велики и в топографической редукции делаются обычно резко отрицательными, т. е. альпийские горы нельзя рассматривать как надстройку на земной коре с избыточной массой. Интенсивные отрицательные аномалии указывают на дефект масс на некоторой глубине под горами. В целом для высокогорных областей, если и можно говорить об изостатической компенсации, то только для достаточно крупных массивов, а не каждой горы в отдельности, причем компенсации приблизительной, и приблизительность эта очень различна. И в горах и во впадинах часто наблюдаются отклонения от изостазии, и многие участки земной коры оказываются то заметно тяжелее, то легче, чем это требует изостатическое равновесие.

Особое положение занимает прибрежная зона Тихого океана (островные дуги — Индонезия, Япония, Курильские острова и др.), характеризующаяся крупными отклонениями от изостазии, выраженными в аномалиях силы тяжести. Полосы очень сильных отрицательных гравитационных аномалий приурочены к глубоководным желобам, расположенным вдоль обращенной к океану периферии островных дуг. Самим островным дугам и внутренним морям, отделяющим их от материка, соответствуют положительные аномалии. Глубина залегания масс, вызывающих эти аномалии, по исследованиям А. Н. Люстиха, не превышает 50 км.

В океанах гравитационное поле спокойно и меняется более плавно, чем на материках. Заслуживает большого внимания поле силы тяжести вулканических островов (Гавайских в Тихом океане, о. Вознесения в Атлантическом и др.).

Эти острова характеризуются громадными положительными аномалиями. Однако после введения поправки Буге аномалии становятся близкими к нулю. Это значит, что массы вулканических островов являются как бы посторонним грузом, наложенным на земную кору. Характерно, что грандиозные нагромождения траппов на платформах не вызывают сколько-нибудь сильных аномалий. Участки платформ, покрытые траппами, по своей гравитационной характеристике принципиально не отличаются от других частей платформ.

Из сказанного видно, что гравитационное поле Земли отражает особенности ее строения, фиксируемые сейсмическими методами: мощность земной коры заметно увеличивается в высокогорных районах, где отчетливо отмечается ее вдавленность в нижележащий субстрат, снижается в равнинных платформенных областях и достигает минимума под океанами. Изменение мощности коры сопровождается изменениями плотности слагающих ее пород. На континентах преобладают более легкие породы («граниты»); океаническое дно сложено в основном более тяжелыми базальтами.

Конечно, учитывать принцип изостазии при анализе формирования некоторых геологических структур необходимо, но считать его одной из первопричин тектонических процессов нельзя. Тектонические гипотезы изостазии (в любой их форме) в качестве основного движущего геологического фактора, определяющего соответствие формы поверхности Земли с ее внутренним строением, выдвигают гидростатическое равновесие масс Земли и земной коры. Нарушение этого равновесия, вызванное, например, размывом горных хребтов и заполнением продуктами этого размыва впадин или наступанием мощных покровных ледников, резко увеличивающих массу перекрытых ими участков земной коры, или, наоборот, таянием покровных льдов, заметно снижающим нагрузку, и т. п. — все это должно компенсироваться воздыманием облегченных и погружением увеличивших свою массу участков. Эти чисто механические представления вовсе не учитывают огромного многообразия геологических процессов и вызывающих их причин и, как совершенно правильно подчеркнул В. А. Магницкий, исходят из принципа, по существу враждебного развитию. В результате вместо развития получается картина умирания Земли (после неизбежного восстановления полного равновесия). Движения поверхности Земли очень часто происходят в направлении, противоположном тому, которое должно было бы возникнуть согласно принципу изостазии. Например, Прикаспийская низменность испытывает в настоящее время погружение, хотя земная кора там чрезвычайно легка и по гипотезе изостазии должна была бы подниматься.

Распределение давления и ускорения свободного падения в земных недрах

Глубина, км

Давление, 106 кгс/см2

Ускорение

свободного падения, см/сек2

33

0,009

985

500

0,173

1000

1200

0,49

991

2900 (сверху)

1,37

1037

2900 (снизу)

1,36

1037

6370

3,51

0

В некоторых горных областях отмечается полное отсутствие компенсации (Горный Крым), а в других (горы Средней Азии) — компенсирующих масс слишком много и т. д.

В строгом соответствии с распределением плотностей в недрах Земли находятся давление и ускорение свободного падения. Давления в таблице приведены по К. Э. Буллену, ускорения свободного падения — по данным разных авторов (А. Бенфильда, К. Э. Буллена и др.). Таким образом, давление в центре Земли равно примерно 3,5 млн. кгс/см2.

Вернуться назад к оглавлению "Общая Геология. Основы Геологии."

rss