stringtranslate.com

Внутреннее строение Земли

Геологический разрез Земли, показывающий ее внутреннюю структуру, атмосферу и гидросферу .

Внутреннее строение Земли - это слои Земли , исключая ее атмосферу и гидросферу . Структура состоит из внешней силикатной твердой коры , высоковязкой астеносферы и твердой мантии , жидкого внешнего ядра , поток которого генерирует магнитное поле Земли , и твердого внутреннего ядра .

Научное понимание внутренней структуры Земли основано на наблюдениях топографии и батиметрии , наблюдениях за горными породами в обнажениях , образцах, доставленных на поверхность с больших глубин вулканами или вулканической активностью, анализе сейсмических волн , проходящих через Землю, измерениях гравитационное и магнитное поля Земли, а также эксперименты с кристаллическими твердыми телами при давлениях и температурах, характерных для глубоких недр Земли.

Глобальные свойства

«Примечание: В модели хондрита (1) легким элементом в ядре считается Si. Модель хондрита (2) представляет собой модель химического состава мантии, соответствующую модели ядра, показанной в модели хондрита (1). " [1]

см. подпись
Фотография Земли, сделанная экипажем Аполлона-17 в 1972 году. Обработанная версия стала широко известна как «Голубой мрамор» . [2] [3]

Измерения силы гравитации Земли можно использовать для расчета ее массы . Астрономы также могут рассчитать массу Земли , наблюдая за движением орбитальных спутников . Среднюю плотность Земли можно определить с помощью гравиметрических экспериментов, в которых исторически использовались маятники . Масса Земли составляет около6 × 10 24  кг . [4] Средняя плотность Земли равна5,515  г/см 3 . [5]

Слои

Структуру Земли можно определить двумя способами: с помощью механических свойств, таких как реология , или химически. Механически его можно разделить на литосферу , астеносферу , мезосферную мантию , внешнее ядро ​​и внутреннее ядро . По химическому составу Землю можно разделить на земную кору, верхнюю мантию, нижнюю мантию, внешнее ядро ​​и внутреннее ядро. [6] Слои геологических компонентов Земли находятся на увеличивающейся глубине под поверхностью: [6] : 146 

Кора и литосфера

Карта тектонических плит Земли
Основные плиты Земли , а именно:

Глубина земной коры составляет 5–70 километров (3,1–43,5 миль) [7] и является самым внешним слоем. [8] Тонкие части представляют собой океаническую кору , которая подстилает океанские котловины (5–10 км) и богата основным материалом [9] (плотный железо-магниевый силикатный минерал или магматическая порода ). [10] Более толстая кора — это континентальная кора , которая менее плотна [11] и богата кислыми породами (магматические породы, богатые элементами, образующими полевой шпат и кварц ). [12] Породы земной коры делятся на две основные категории – сиал (силикат алюминия) и сима (силикат магния). [13] Предполагается, что Сима начинается примерно в 11 км ниже разрыва Конрада , [14] хотя разрыв не выражен и может отсутствовать в некоторых континентальных регионах. [15]

Литосфера Земли состоит из земной коры и верхней мантии . [16] Граница коры и мантии возникает как два физически различных явления. Разрыв Мохоровичича представляет собой отчетливое изменение скорости сейсмических волн . Это вызвано изменением плотности породы [17] – непосредственно выше Мохо скорости первичных сейсмических волн ( волна Р ) согласуются со скоростями через базальт (6,7–7,2 км/с), а ниже они подобны через перидотит или дунит (7,6–8,6 км/с). [18] Во-вторых, в океанической коре существует химический разрыв между ультраосновными кумулатами и тектонизированными гарцбургитами , который наблюдался в глубоких частях океанической коры, которые были перенесены на континентальную кору и сохранились в виде офиолитовых последовательностей . [ нужны разъяснения ]

Многие породы, составляющие земную кору, образовались менее 100 миллионов лет назад; однако возраст самых старых известных минеральных зерен составляет около 4,4 миллиарда лет , что указывает на то, что Земля имела твердую кору как минимум 4,4 миллиарда лет. [19]

Мантия

Земная кора и мантия, разрыв Мохоровичича между нижней частью коры и твердой верхней мантией.

Мантия Земли простирается на глубину 2890 км (1800 миль), что делает ее самым толстым слоем планеты. [20] [Это 45% радиуса 6371 км (3959 миль) и 83,7% объема - 0,6% объема составляет кора]. Мантия разделена на верхнюю и нижнюю мантию [21], разделенные переходной зоной . [22] Самая нижняя часть мантии рядом с границей ядро-мантия известна как слой D″ (D-двойной штрих). [23] Давление в нижней части мантии составляет ≈140 ГПа ( 1,4 М атм ). [24] Мантия состоит из силикатных пород, более богатых железом и магнием, чем вышележащая кора. [25] Несмотря на то, что чрезвычайно горячий силикатный материал мантии является твердым, он может течь в течение очень длительного времени. [26] Конвекция мантии приводит в движение тектонические плиты земной коры. Источником тепла , которое приводит в движение это движение, является распад радиоактивных изотопов в земной коре и мантии в сочетании с первоначальным теплом, образовавшимся при формировании планеты. [27]

Из-за увеличения давления глубже в мантии нижняя часть течет менее легко, хотя химические изменения внутри мантии также могут иметь важное значение. Вязкость мантии колеблется от 10 21 до 10 24 паскаль-секунда , увеличиваясь с глубиной. [28] Для сравнения, вязкость воды при 300 К (27 °C; 80 °F) составляет 0,89 миллипаскаль-секунда [29] , а шаг составляет (2,3 ± 0,5) × 10 8 паскаль-секунда. [30]

Основной

Схема геодинамо и магнитного поля Земли, которое могло быть вызвано в ранней истории Земли кристаллизацией оксида магния, диоксида кремния и оксида железа (II). Конвекция внешнего ядра Земли отображается рядом с линиями магнитного поля.
Схема геодинамо и магнитного поля Земли, которое могло быть вызвано в ранней истории Земли кристаллизацией оксида магния , диоксида кремния и оксида железа (II).

Внешнее ядро ​​Земли представляет собой слой жидкости высотой около 2260 км (1400 миль) (т.е. расстояние от самой высокой точки до самой низкой точки на краю внутреннего ядра) [36% радиуса Земли, 15,6% объема] и состоит в основном из железа и никеля и находится над твердым внутренним ядром Земли и под ее мантией . [31] Его внешняя граница находится на глубине 2890 км (1800 миль) под поверхностью Земли. Переход между внутренним ядром и внешним ядром расположен примерно в 5150 км (3200 миль) под поверхностью Земли. Внутреннее ядро ​​Земли — это самый внутренний геологический слой планеты Земля . В основном это твердый шар с радиусом около 1220 км (760 миль), что составляет около 19% радиуса Земли [0,7% объема] или 70% радиуса Луны . [32] [33]

Внутреннее ядро ​​было обнаружено в 1936 году Инге Леманн и обычно состоит в основном из железа и некоторого количества никеля . Поскольку этот слой способен передавать сдвиговые волны (поперечные сейсмические волны), он должен быть твердым. Экспериментальные данные временами не согласовывались с современными кристаллическими моделями ядра. [34] Другие экспериментальные исследования показывают несоответствие при высоком давлении: исследования алмазной наковальни (статические) при давлении в сердцевине дают температуры плавления, которые примерно на 2000 К ниже температур плавления, полученных при ударных лазерных (динамических) исследованиях. [35] [36] Лазерные исследования создают плазму, [37] и результаты позволяют предположить, что ограничивающие условия внутреннего ядра будут зависеть от того, является ли внутреннее ядро ​​твердым телом или представляет собой плазму с плотностью твердого тела. Это область активных исследований.

На ранних стадиях формирования Земли, около 4,6 миллиардов лет назад, таяние привело бы к опусканию более плотных веществ к центру в процессе, называемом планетарной дифференциацией (см. также железную катастрофу ), в то время как менее плотные материалы мигрировали бы в кору . Таким образом, считается, что ядро ​​в основном состоит из железа (80%), а также никеля и одного или нескольких легких элементов, тогда как другие плотные элементы, такие как свинец и уран , либо слишком редки, чтобы иметь существенное значение, либо имеют тенденцию связываться с более легкими элементами. элементы и таким образом остаются в земной коре (см. кислые материалы ). Некоторые утверждают, что внутреннее ядро ​​может иметь форму одного кристалла железа . [38] [39]

В лабораторных условиях образец железо-никелевого сплава подвергался давлению, подобному сердечнику, путем захвата его в тисках между двумя алмазными наконечниками ( ячейка с алмазной наковальней ), а затем нагревания примерно до 4000 К. Образец наблюдался с помощью рентгеновских лучей, и решительно поддерживал теорию о том, что внутреннее ядро ​​Земли состоит из гигантских кристаллов, простирающихся с севера на юг. [40] [41]

Состав Земли имеет большое сходство с составом некоторых хондритовых метеоритов и даже с некоторыми элементами внешней части Солнца. [42] [43] Начиная с 1940 года, ученые, в том числе Фрэнсис Берч , строили геофизику на предпосылке, что Земля похожа на обычные хондриты, наиболее распространенный тип метеорита, наблюдаемый при столкновении с Землей. При этом игнорируются менее распространенные энстатитовые хондриты, которые образовались в условиях чрезвычайно ограниченного доступного кислорода, что приводит к тому, что некоторые обычно оксифильные элементы частично или полностью присутствуют в той части сплава, которая соответствует ядру Земли. [ нужна цитата ]

Теория динамо предполагает, что конвекция во внешнем ядре в сочетании с эффектом Кориолиса порождает магнитное поле Земли . Твердое внутреннее ядро ​​слишком горячо, чтобы удерживать постоянное магнитное поле (см. Температура Кюри ), но, вероятно, стабилизирует магнитное поле, создаваемое жидким внешним ядром. Среднее магнитное поле во внешнем ядре Земли оценивается в 2,5 миллитесла (25 Гаусс), что в 50 раз сильнее, чем магнитное поле на поверхности. [44]

Сейсмология

Расслоение Земли было сделано косвенно с использованием времени прохождения преломленных и отраженных сейсмических волн, создаваемых землетрясениями. Ядро не пропускает через себя поперечные волны, а скорость движения ( сейсмическая скорость ) в других слоях различна. Изменения сейсмической скорости между различными слоями вызывают преломление по закону Снеллиуса , подобно тому, как свет искривляется при прохождении через призму. Аналогично, отражения вызваны значительным увеличением сейсмической скорости и подобны свету, отражающемуся от зеркала.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ ab СТРУКТУРА ЗЕМЛИ И ЕЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ (PDF) . Издательство Принстонского университета. п. 4.
  2. ↑ Пецко, Грегори А. (28 апреля 2011 г.). «Голубой мрамор». Геномная биология . 12 (4): 112. doi : 10.1186/gb-2011-12-4-112 . ПМК 3218853 . ПМИД  21554751. 
  3. ^ "Снимки Аполлона - AS17-148-22727" . НАСА. 1 ноября 2012 г. Архивировано из оригинала 20 апреля 2019 г. . Проверено 22 октября 2020 г.
  4. ^ М Э = 5·9722×10 24 кг ± 6×10 20 кг. «Избранные астрономические константы 2016 года, архивированные 15 февраля 2016 года в Wayback Machine » в The Astronomical Almanac Online, USNO – UKHO , заархивировано (PDF) из оригинала 24 декабря 2016 года , получено 18 февраля 2016 года.
  5. ^ "Планетарный информационный бюллетень". Лунная и планетарная наука . НАСА. Архивировано из оригинала 24 марта 2016 года . Проверено 2 января 2009 г.
  6. ^ Аб Монтаньнер, Жан-Поль (2011). «Структура Земли глобальная». В Гупте, Харш (ред.). Энциклопедия геофизики твердой земли . Springer Science & Business Media. ISBN 9789048187010.
  7. ↑ Андрей, Михай (21 августа 2018 г.). «Из каких слоев состоит Земля?». ЗМЭ Наука . Архивировано из оригинала 12 мая 2020 года . Проверено 28 июня 2019 г.
  8. ↑ Чинн, Лиза (25 апреля 2017 г.). «Структура Земли от земной коры до внутреннего ядра». Наука . Лиф Групп Медиа. Архивировано из оригинала 30 июля 2020 года . Проверено 28 июня 2019 г.
  9. ^ Роджерс, Н., изд. (2008). Введение в нашу динамическую планету. Издательство Кембриджского университета и Открытый университет . п. 19. ISBN 978-0-521-49424-3. Архивировано из оригинала 2 мая 2016 г. Проверено 08 августа 2022 г.
  10. ^ Джексон, Джулия А., изд. (1997). «мафик». Глоссарий геологии (Четвертое изд.). Александрия, Вирджиния: Американский геологический институт. ISBN 0922152349.
  11. ^ Британника, Редакторы энциклопедии. "Континентальный разлом". Британская энциклопедия, 5 сентября 2023 г., https://www.britannica.com/science/contental-crust. |access-date=12 октября 2023 г. |url-status=live
  12. ^ Шмидт, Виктор А.; Харберт, Уильям (1998). «Живая машина: тектоника плит». Планета Земля и новые науки о Земле (3-е изд.). Кендалл/Хант Издательская компания. п. 442. ИСБН 978-0-7872-4296-1. Архивировано из оригинала 24 января 2010 г. Проверено 28 января 2008 г. «Блок 3: Живая машина: тектоника плит». Архивировано из оригинала 28 марта 2010 г.
  13. ^ Гесс, Х. (1 января 1955 г.). «Океаническая кора». Журнал морских исследований . 14 (4): 424. Традиционно земную кору подразделяли на сиал и симу. Эти термины относятся к обобщенным составам: сиал — это породы, богатые Si и Al, а сима — породы, богатые Si и Mg.
  14. ^ Кири, П.; Клепейс К.А.; Вайн Ф.Дж. (2009). Глобальная тектоника (3-е изд.). Джон Уайли и сыновья . стр. 19–21. ISBN 9781405107778. Проверено 30 июня 2012 г.
  15. ^ Лоури, В. (1997). Основы геофизики. Издательство Кембриджского университета . п. 149. ИСБН 9780521467285. Проверено 30 июня 2012 г.
  16. ^ Химияма, Юкио; Сатаке, Кендзи; Оки, Тайкан, ред. (2020). Человеческая геология . Сингапур: Springer Science+Business Media . п. 27. ISBN 978-981-329-224-6. ОСЛК  1121043185.
  17. ^ Рудник, РЛ; Гао, С. (1 января 2003 г.), Голландия, Генрих Д.; Турекян, Карл К. (ред.), «3.01 – Состав континентальной коры», Трактат по геохимии , 3 , Пергамон: 659, Бибкод : 2003TrGeo...3....1R, doi :10.1016/b0-08 -043751-6/03016-4, ISBN 978-0-08-043751-4, получено 21 ноября 2019 г.
  18. ^ Р.Б. Кэткарт и М.М. Чиркович (2006). Виорел Бадеску; Ричард Брук Кэткарт и Рулоф Д. Шуилинг (ред.). Макроинженерия: вызов будущего. Спрингер. п. 169. ИСБН 978-1-4020-3739-9.
  19. ^ Последние новости | Старейшие рок-шоу Земля была гостеприимной молодой планетой. Архивировано 28 июня 2009 г. в Wayback Machine . Космический полет сейчас (14 января 2001 г.). Проверено 27 января 2012 г.
  20. ↑ Нэйс, Тревор (16 января 2016 г.). «Слои Земли: что лежит под земной корой». Форбс . Архивировано из оригинала 5 марта 2020 года . Проверено 28 июня 2019 г.
  21. ↑ Эверс, Джинни (11 августа 2015 г.). «Мантия». Национальная география . Национальное географическое общество . Архивировано из оригинала 12 мая 2016 года . Проверено 28 июня 2019 г.
  22. ^ Ю, Чуньцюань; Дэй, Элизабет А.; де Хооп, Мартен В.; Кампильо, Мишель; Идет, Саския; Блайт, Рэйчел А.; ван дер Хильст, Роберт Д. (28 марта 2018 г.). «Неоднородность состава у основания мантийной переходной зоны под Гавайями». Нат Коммун . 9 (9): 1266. Бибкод : 2018NatCo...9.1266Y. дои : 10.1038/s41467-018-03654-6. ПМК 5872023 . ПМИД  29593266. 
  23. ↑ Кригер, Ким (24 марта 2004 г.). «Слой D демистифицирован». Новости науки . Американская ассоциация содействия развитию науки . Архивировано из оригинала 10 июля 2022 года . Проверено 5 ноября 2016 г.
  24. ^ Долбье, Рэйчел. «Извлечение керна Земли» (PDF) . Музей землеведения и минерального дела В.М. Кека . Университет Невады, Рино : 5. Архивировано из оригинала (PDF) 7 сентября 2015 года . Проверено 28 июня 2019 г.
  25. ↑ Каин, Фрейзер (26 марта 2016 г.). «Из чего состоит мантия Земли?». Вселенная сегодня . Архивировано из оригинала 6 ноября 2010 года . Проверено 28 июня 2019 г.
  26. ↑ Шоу, Итан (22 октября 2018 г.). «Различные свойства астеносферы и литосферы». Наука . Лиф Групп Медиа. Архивировано из оригинала 30 июля 2020 года . Проверено 28 июня 2019 г.
  27. ^ Пройсс, Пол (17 июля 2011 г.). «Что заставляет Землю готовиться?». Национальная лаборатория Лоуренса Беркли . Калифорнийский университет в Беркли . Архивировано из оригинала 21 января 2022 года . Проверено 28 июня 2019 г. {{cite journal}}: Неизвестный параметр |agency=игнорируется ( справка )
  28. ^ Уолцер, Уве; Хендель, Роланд; Баумгарднер, Джон . «Мантийная вязкость и мощность конвективных нисходящих потоков». Лос-Аламосская национальная лаборатория . Университет Гейдельберга . Архивировано из оригинала 26 августа 2006 года . Проверено 28 июня 2019 г.
  29. ^ Хейнс, Уильям М.; Дэвид Р., Лиде; Бруно, Томас Дж., ред. (2017). Справочник CRC по химии и физике (97-е изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press . Раздел 6, стр. 247. ISBN 978-1-4987-5429-3. ОСЛК  957751024.
  30. ^ Эджворт, Р.; Далтон, Би Джей; Парнелл, Т. «Эксперимент по снижению высоты тона». Университет Квинсленда, Австралия. Архивировано из оригинала 28 марта 2013 года . Проверено 15 октября 2007 г.
  31. ^ «Интерьер Земли». Наука и инновации . Национальная география. 18 января 2017 года. Архивировано из оригинала 18 января 2019 года . Проверено 14 ноября 2018 г.
  32. ^ Моннеро, Марк; Кальве, Мари; Маргерин, Людовик; Сурио, Анни (21 мая 2010 г.). «Однобокий рост внутреннего ядра Земли». Наука . 328 (5981): 1014–1017. Бибкод : 2010Sci...328.1014M. дои : 10.1126/science.1186212. PMID  20395477. S2CID  10557604.
  33. ^ Энгдаль, ER; Флинн, Э.А.; Массе, РП (1974). «Дифференциальное время пробега ПКиКП и радиус внутреннего ядра». Международный геофизический журнал . 39 (3): 457–463. Бибкод : 1974GeoJ...39..457E. дои : 10.1111/j.1365-246x.1974.tb05467.x .
  34. ^ Стиксруд, Ларс; Коэн, Р.Э. (15 января 1995 г.). «Ограничения на кристаллическую структуру внутреннего ядра: механическая нестабильность железа BCC при высоком давлении». Письма о геофизических исследованиях . 22 (2): 125–28. Бибкод : 1995GeoRL..22..125S. дои : 10.1029/94GL02742. Архивировано из оригинала 8 августа 2022 года . Проверено 2 января 2019 г.
  35. ^ Бенуцци-Муне, А.; Кениг, М.; Равазио, А.; Винчи, Т. (2006). «Лазерные ударные волны для исследования экстремальных состояний материи». Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез . 48 (12Б): Б347. Бибкод : 2006PPCF...48B.347B. дои : 10.1088/0741-3335/48/12B/S32. S2CID  121164044.
  36. ^ Ремингтон, Брюс А.; Дрейк, Р. Пол; Рютов, Дмитрий Д. (2006). «Экспериментальная астрофизика с мощными лазерами и Z-пинчами». Обзоры современной физики . 78 (3): 755. Бибкод : 2006РвМП...78..755Р. doi : 10.1103/RevModPhys.78.755. Архивировано из оригинала 23 мая 2020 г. Проверено 26 июня 2019 г.
  37. ^ Бенуцци-Муне, А.; Кениг, М.; Гусар, Г.; Фарал, Б. (июнь 2002 г.). «Абсолютное уравнение измерения состояния железа с помощью лазерных ударов». Физика плазмы . 9 (6): 2466. Бибкод : 2002PhPl....9.2466B. дои : 10.1063/1.1478557.
  38. ^ Шнайдер, Майкл (1996). «Кристалл в центре Земли». Проекты в области научных вычислений, 1996 . Питтсбургский суперкомпьютерный центр. Архивировано из оригинала 5 февраля 2007 года . Проверено 8 марта 2019 г.
  39. ^ Стиксруд, Л.; Коэн, RE (1995). «Упругость железа при высоком давлении и анизотропия внутреннего ядра Земли». Наука . 267 (5206): 1972–75. Бибкод : 1995Sci...267.1972S. дои : 10.1126/science.267.5206.1972. PMID  17770110. S2CID  39711239.
  40. ^ BBC News, «Что находится в центре Земли? Архивировано 23 мая 2020 г. на Wayback Machine . BBC.co.uk (31 августа 2011 г.). Проверено 27 января 2012 г.
  41. ^ Одзава, Х.; др. и др. (2011). «Фазовый переход FeO и расслоение во внешнем ядре Земли». Наука . 334 (6057): 792–94. Бибкод : 2011Sci...334..792O. дои : 10.1126/science.1208265. PMID  22076374. S2CID  1785237.
  42. ^ Херндон, Дж. М. (1980). «Химический состав внутренних оболочек Земли». Учеб. Р. Сок. Лонд . А372 (1748): 149–54. Бибкод : 1980RSPSA.372..149H. дои : 10.1098/rspa.1980.0106. JSTOR  2398362. S2CID  97600604.
  43. ^ Херндон, Дж. М. (2005). «Научные основы знаний о составе Земли» (PDF) . Современная наука . 88 (7): 1034–37. Архивировано (PDF) из оригинала 30 июля 2020 г. Проверено 27 января 2012 г.
  44. ^ Баффет, Брюс А. (2010). «Приливная диссипация и сила внутреннего магнитного поля Земли». Природа . 468 (7326): 952–94. Бибкод : 2010Natur.468..952B. дои : 10.1038/nature09643. PMID  21164483. S2CID  4431270.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки