stringtranslate.com

Внутреннее строение Земли

Геологический разрез Земли, показывающий различные слои ее недр.

Внутренняя структура Земли — это слои Земли , исключая ее атмосферу и гидросферу . Структура состоит из внешней силикатной твердой коры , высоковязкой астеносферы и твердой мантии , жидкого внешнего ядра , течение которого создает магнитное поле Земли , и твердого внутреннего ядра .

Научное понимание внутренней структуры Земли основано на наблюдениях за топографией и батиметрией , наблюдениях за выходами горных пород на поверхность , образцами, поднятыми на поверхность с больших глубин вулканами или в результате вулканической активности, анализе сейсмических волн , проходящих через Землю, измерениях гравитационного и магнитного полей Земли, а также экспериментах 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 шарик» . [2] [3]

Измерения силы, оказываемой гравитацией Земли, могут быть использованы для расчета ее массы . Астрономы также могут рассчитать массу Земли , наблюдая за движением спутников на орбите . 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 составляет5,515  г/см 3 . [5]

Слои

Структуру Земли можно определить двумя способами: механическими свойствами, такими как реология , или химически. Механически ее можно разделить на литосферу , астеносферу , мезосферную мантию , внешнее ядро ​​и внутреннее ядро . Химически Землю можно разделить на кору, верхнюю мантию, нижнюю мантию, внешнее ядро ​​и внутреннее ядро. [6] Геологические слои компонентов Земли находятся на увеличивающихся глубинах под поверхностью. [6] : 146 

Кора и литосфера

Карта тектонических плит Земли
Основные плиты Земли :

Земная кора имеет глубину от 5 до 70 километров (3,1–43,5 миль) [7] и является самым внешним слоем. [8] Тонкие части представляют собой океаническую кору , которая лежит под океаническими бассейнами (5–10 км) и богата мафическими [ 9] (плотный железо-магниевый силикатный минерал или магматическая порода ). [10] Более толстая кора представляет собой континентальную кору , которая менее плотная [11] и богата фельзическими (магматические породы, богатые элементами, образующими полевой шпат и кварц ). [12] Породы коры делятся на две основные категории — сиал (алюмосиликат) и сима (магматический силикат). [13] Предполагается, что сима начинается примерно на 11 км ниже границы Конрада , [14] хотя граница не является четкой и может отсутствовать в некоторых континентальных регионах. [15]

Литосфера Земли состоит из коры и верхней мантии . [16] Граница кора-мантия происходит как два физически различных явления. Разрыв Мохоровичича представляет собой отчетливое изменение скорости сейсмической волны . Это вызвано изменением плотности горной породы [17] - непосредственно над Мохоровичичем скорости первичных сейсмических волн ( волны P ) соответствуют скоростям через базальт (6,7–7,2 км/с), а ниже они аналогичны скоростям через перидотит или дунит (7,6–8,6 км/с). [18] Во-вторых, в океанической коре существует химический разрыв между ультрамафическими кумулатами и тектонизированными гарцбургитами , который наблюдался в глубоких частях океанической коры, которые были обдуцированы на континентальной коре и сохранились в виде офиолитовых последовательностей . [ необходимо разъяснение ]

Многие породы, составляющие земную кору, образовались менее 100 миллионов лет назад; однако самые старые известные минеральные зерна имеют возраст около 4,4 миллиарда лет , что указывает на то, что Земля имела твердую кору по крайней мере 4,4 миллиарда лет. [19]

Мантия

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

Мантия Земли простирается на глубину 2890 км (1800 миль), что делает ее самым толстым слоем планеты. [20] [Это составляет 45% от радиуса 6371 км (3959 миль) и 83,7% объема - 0,6% объема составляет кора]. Мантия делится на верхнюю и нижнюю мантию [21], разделенные переходной зоной . [22] Самая нижняя часть мантии рядом с границей ядро-мантия известна как слой D″ (D-double-prime). [ 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 мантия твердая, чрезвычайно горячая силикатная масса может течь в течение очень длительных временных масштабов. [26] Конвекция мантии приводит в движение тектонические плиты в коре. Источником тепла , которое приводит в движение это движение, является распад радиоактивных изотопов в земной коре и мантии в сочетании с первоначальным теплом от образования планеты [27] (от потенциальной энергии, высвобождаемой при коллапсе большого количества материи в гравитационную яму , и кинетической энергии аккрецированной материи).

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

Основной

Схема геодинамо и магнитного поля Земли, которые могли быть вызваны 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, которые могли быть вызваны в ранней истории Земли кристаллизацией оксида магния , диоксида кремния и оксида железа (II)

Внешнее ядро ​​Земли представляет собой жидкий слой 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 , который лежит над твердым внутренним ядром Земли и под ее мантией . [31] Его внешняя граница лежит на глубине 2890 км (1800 миль) под поверхностью Земли. Переход между внутренним ядром и внешним ядром расположен примерно на глубине 5150 км (3200 миль) под поверхностью Земли. Внутреннее ядро ​​Земли является самым внутренним геологическим слоем планеты Земля . Это в основном 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 открыто в 1936 году Инге Леманн и, как правило, 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 порой не согласуются с современными кристаллическими моделями ядра. [34] Другие экспериментальные исследования показывают несоответствие при высоком давлении: исследования с алмазной наковальней (статические) при давлении ядра дают температуры плавления, которые примерно на 2000 К ниже, чем при исследованиях с ударным лазером (динамические). [35] [36] Лазерные исследования создают плазму, [37] и результаты предполагают, что ограничивающие условия внутреннего ядра будут зависеть от того, является ли внутреннее ядро ​​твердым телом или плазмой с плотностью твердого тела. Это область активных исследований.

На ранних стадиях формирования Земли около 4,6 млрд лет назад плавление привело бы к тому, что более плотные вещества опустились бы 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 быть значимыми, либо имеют тенденцию связываться с более легкими элементами и, таким образом, оставаться в коре (см. фельзические материалы ). Некоторые утверждают, что внутреннее ядро ​​может быть в форме одного кристалла железа . [38] [39]

В лабораторных условиях образец сплава железа и никеля подвергался давлению, подобному давлению ядра, путем зажимания его в тисках между двумя алмазными наконечниками ( алмазная наковальня ), а затем нагревался примерно до 4000 К. Образец наблюдался с помощью рентгеновских лучей и убедительно подтверждал теорию о том, что внутреннее ядро ​​Земли состоит из гигантских кристаллов, простирающихся с севера на юг. [40] [41]

Состав Земли имеет сильное сходство с составом некоторых хондритовых метеоритов и даже с некоторыми элементами внешней части Солнца. [42] [43] Начиная с 1940 года, ученые, включая Фрэнсиса Бирча , строили геофизику на предпосылке, что Земля похожа на обычные хондриты, наиболее распространенный тип метеоритов, наблюдаемых при столкновении с Землей. Это игнорирует менее распространенные энстатитовые хондриты, которые образовались в условиях крайне ограниченного количества доступного кислорода, что приводит к тому, что определенные обычно оксифильные элементы существуют либо частично, либо полностью в части сплава, которая соответствует ядру Земли. [ необходима цитата ]

Теория динамо предполагает, что конвекция во внешнем ядре в сочетании с эффектом Кориолиса приводит к возникновению магнитного поля Земли . Твердое внутреннее ядро ​​слишком горячее, чтобы удерживать постоянное магнитное поле (см. температуру Кюри ), но, вероятно, действует для стабилизации магнитного поля, создаваемого жидким внешним ядром. Среднее магнитное поле во внешнем ядре Земли оценивается в 2,5 миллитесла (25 гаусс), что в 50 раз сильнее магнитного поля на поверхности. [44]

Магнитное поле, создаваемое потоком ядра, необходимо для защиты жизни от межпланетной радиации и предотвращения рассеивания атмосферы в солнечном ветре . Скорость охлаждения за счет проводимости и конвекции неизвестна, [45] но одна из оценок заключается в том, что ядро ​​не замерзнет в течение приблизительно 91 миллиарда лет, что намного позже ожидаемого расширения Солнца, стерилизации поверхности планеты и последующего сгорания. [46] [ требуется лучший источник ]

Сейсмология

Слоистость Земли была выведена косвенно с использованием времени распространения преломленных и отраженных сейсмических волн, созданных землетрясениями. Ядро не позволяет сдвиговым волнам проходить через него, в то время как скорость распространения ( сейсмическая скорость ) в других слоях различна. Изменения в сейсмической скорости между различными слоями вызывают преломление из-за закона Снеллиуса , подобно преломлению света при прохождении через призму. Аналогично, отражения вызваны большим увеличением сейсмической скорости и похожи на отражение света от зеркала.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Структура Земли и ее составные части (PDF) . Princeton University Press. стр. 4.
  2. ^ Пецко, Грегори А. (28 апреля 2011 г.). «Голубой мрамор». Genome Biology . 12 (4): 112. doi : 10.1186/gb-2011-12-4-112 . PMC 3218853. PMID  21554751 . 
  3. ^ "Apollo Imagery – AS17-148-22727". NASA. 1 ноября 2012 г. Архивировано из оригинала 20 апреля 2019 г. Получено 22 октября 2020 г.
  4. ^ M E = 5·9722×10 24 кг ± 6×10 20 кг. "2016 Selected Astronomical Constants Archived 2016-02-15 at the Wayback Machine " в The Astronomical Almanac Online, USNO – UKHO , архивировано (PDF) из оригинала 2016-12-24 , извлечено 2016-02-18
  5. ^ "Planetary Fact Sheet". Lunar and Planetary Science . NASA. Архивировано из оригинала 24 марта 2016 года . Получено 2 января 2009 года .
  6. ^ ab Монтагнер, Жан-Поль (2011). "Структура Земли, глобальная". В Гупта, Харш (ред.). Энциклопедия геофизики твердой Земли . Springer Science & Business Media. ISBN 9789048187010.
  7. ^ Андрей, Михай (21 августа 2018 г.). «Каковы слои Земли?». ZME Science . Архивировано из оригинала 12 мая 2020 г. Получено 28 июня 2019 г.
  8. ^ Чинн, Лиза (25 апреля 2017 г.). «Структура Земли от коры до внутреннего ядра». Наука . Leaf Group Media. Архивировано из оригинала 30 июля 2020 г. Получено 28 июня 2019 г.
  9. ^ Роджерс, Н., ред. (2008). Введение в нашу динамическую планету. Cambridge University Press и The Open University . стр. 19. ISBN 978-0-521-49424-3. Архивировано из оригинала 2016-05-02 . Получено 2022-08-08 .
  10. ^ Джексон, Джулия А., ред. (1997). "mafic". Словарь геологии (4-е изд.). Александрия, Вирджиния: Американский геологический институт. ISBN 0922152349.
  11. ^ "Континентальная кора". Encyclopaedia Britannica . Получено 6 октября 2024 г. {{cite encyclopedia}}: Неизвестный параметр |=проигнорирован ( помощь )CS1 maint: url-status (link)
  12. ^ Шмидт, Виктор А.; Харберт, Уильям (1998). «Живая машина: тектоника плит». Планета Земля и новые геонауки (3-е изд.). Кендалл/Хант. стр. 442. ISBN 978-0-7872-4296-1. Архивировано из оригинала 2010-01-24 . Получено 2008-01-28 . Шмидт, Виктор А.; Харберт, Уильям. «Unit 3: The Living Machine: Plate Tectonics». Planet Earth and the New Geosciences . Poznańb: Adam Mickiewicz University. Архивировано из оригинала 28.03.2010.
  13. ^ Hess, H. (1955-01-01). "Океанская кора". Journal of Marine Research . 14 (4): 424. Обычно кору подразделяют на сиал и сима. Эти термины относятся к обобщенным составам, сиал — это породы, богатые Si и Al, а сима — породы, богатые Si и Mg.
  14. ^ Кири, П.; Клепейс, Калифорния; Вайн, Ф.Дж. (2009). Глобальная тектоника (3-е изд.). Джон Уайли и сыновья . стр. 19–21. ISBN 9781405107778. Получено 30 июня 2012 г.
  15. ^ Лоури, В. (1997). Основы геофизики. Cambridge University Press . стр. 149. ISBN 9780521467285. Получено 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. OCLC  1121043185.
  17. ^ Рудник, Р. Л.; Гао, С. (2003-01-01), Холланд, Генрих Д.; Турекян, Карл К. (ред.), "3.01 – Состав континентальной коры", Трактат по геохимии , 3 , Пергам: 659, Bibcode : 2003TrGeo...3....1R, doi : 10.1016/b0-08-043751-6/03016-4, ISBN 978-0-08-043751-4, получено 21.11.2019
  18. ^ Кэткарт, РБ и Чиркович, ММ (2006). Бадеску, Виорел; Кэткарт, Ричард Брук и Шуилинг, Рулоф Д. (ред.). Макроинженерия: вызов будущего. Спрингер. п. 169. ИСБН 978-1-4020-3739-9.
  19. ^ "Самые старые породы показывают, что Земля была гостеприимной молодой планетой". Spaceflight Now . Национальный научный фонд. 2001-01-14. Архивировано из оригинала 2009-06-28. {{cite web}}: Неизвестный параметр |excessive l access-date=проигнорирован ( помощь )
  20. ^ Nace, Trevor (16 января 2016 г.). «Слои Земли: что лежит под земной корой». Forbes . Архивировано из оригинала 5 марта 2020 г. Получено 28 июня 2019 г.
  21. ↑ Эверс, Джинни (11 августа 2015 г.). «Мантия». National Geographic . National Geographic Society . Архивировано из оригинала 12 мая 2016 г. . Получено 28 июня 2019 г. .
  22. ^ Ю, Чунцюань; Дэй, Элизабет А.; де Хооп, Маартен В.; Кампильо, Мишель; Гоес, Саския; Блайт, Рэйчел А.; ван дер Хильст, Роберт Д. (28 марта 2018 г.). «Композиционная неоднородность вблизи основания переходной зоны мантии под Гавайями». Nat Commun . 9 (9): 1266. Bibcode : 2018NatCo...9.1266Y. doi : 10.1038/s41467-018-03654-6. PMC 5872023. PMID  29593266 . 
  23. ^ Кригер, Ким (24 марта 2004 г.). «D Layer Demystified». Science News . American Association for the Advancement of Science . Архивировано из оригинала 10 июля 2022 г. Получено 5 ноября 2016 г.
  24. ^ Долбир, Рэйчел. «Coring the Earth» (PDF) . Музей наук о Земле и горнодобывающей промышленности им. В. М. Кека . Университет Невады, Рино : 5. Архивировано из оригинала (PDF) 7 сентября 2015 г. . Получено 28 июня 2019 г. .
  25. ^ Кейн, Фрейзер (26 марта 2016 г.). «Из чего состоит мантия Земли?». Вселенная сегодня . Архивировано из оригинала 6 ноября 2010 г. Получено 28 июня 2019 г.
  26. ^ Шоу, Итан (22 октября 2018 г.). «Различные свойства астеносферы и литосферы». Наука . Leaf Group Media. Архивировано из оригинала 30 июля 2020 г. Получено 28 июня 2019 г.
  27. ^ Preuss, Paul (17 июля 2011 г.). «Что заставляет Землю готовить?». Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли . Калифорнийский университет в Беркли . Архивировано из оригинала 21 января 2022 г. Получено 28 июня 2019 г. {{cite journal}}: Неизвестный параметр |agency=проигнорирован ( помощь )
  28. ^ Уолцер, Уве; Хендель, Роланд; Баумгарднер, Джон . «Вязкость мантии и толщина конвективных нисходящих потоков». Национальная лаборатория Лос-Аламоса . Гейдельбергский университет . Архивировано из оригинала 26 августа 2006 г. Получено 28 июня 2019 г.
  29. ^ Хейнс, Уильям М.; Дэвид Р., Лид; Бруно, Томас Дж., ред. (2017). CRC Handbook of Chemistry and Physics (97-е изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press . Раздел 6, стр. 247. ISBN 978-1-4987-5429-3. OCLC  957751024.
  30. ^ Эджворт, Р.; Далтон, Б. Дж.; Парнелл, Т. «Эксперимент с падением смолы». Университет Квинсленда, Австралия. Архивировано из оригинала 28 марта 2013 г. Получено 15 октября 2007 г.
  31. ^ "Earth's Interior". Наука и инновации . National Geographic. 18 января 2017 г. Архивировано из оригинала 18 января 2019 г. Получено 14 ноября 2018 г.
  32. ^ Monnereau, Marc; Calvet, Marie; Margerin, Ludovic; Souriau, Annie (21 мая 2010 г.). «Однобокий рост внутреннего ядра Земли». Science . 328 (5981): 1014–1017. Bibcode :2010Sci...328.1014M. doi :10.1126/science.1186212. PMID  20395477. S2CID  10557604.
  33. ^ Энгдаль, Э. Р.; Флинн, Э. А.; Массе, Р. П. (1974). «Дифференциальное время прохождения PKiKP и радиус внутреннего ядра». Geophysical Journal International . 39 (3): 457–463. Bibcode : 1974GeoJ...39..457E. doi : 10.1111/j.1365-246x.1974.tb05467.x .
  34. ^ Stixrude, Lars; Cohen, RE (15 января 1995 г.). «Ограничения на кристаллическую структуру внутреннего ядра: механическая нестабильность железа BCC при высоком давлении». Geophysical Research Letters . 22 (2): 125–28. Bibcode : 1995GeoRL..22..125S. doi : 10.1029/94GL02742. Архивировано из оригинала 8 августа 2022 г. Получено 2 января 2019 г.
  35. ^ Бенуцци-Мунайкс, А.; Кёниг, М.; Равасио, А.; Винчи, Т. (2006). «Управляемые лазером ударные волны для изучения экстремальных состояний материи». Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез . 48 (12B): B347. Bibcode : 2006PPCF...48B.347B. doi : 10.1088/0741-3335/48/12B/S32. S2CID  121164044.
  36. ^ Remington, Bruce A.; Drake, R. Paul; Ryutov, Дмитрий Д. (2006). "Экспериментальная астрофизика с мощными лазерами и Z-пинчами". Reviews of Modern Physics . 78 (3): 755. Bibcode : 2006RvMP...78..755R. doi : 10.1103/RevModPhys.78.755. Архивировано из оригинала 23.05.2020 . Получено 26.06.2019 .
  37. ^ Бенуцци-Мунайкс, А.; Кёниг, М.; Хусар, Г.; Фарал, Б. (июнь 2002 г.). "Измерения абсолютного уравнения состояния железа с использованием лазерных ударных волн". Физика плазмы . 9 (6): 2466. Bibcode : 2002PhPl....9.2466B. doi : 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 . Получено 8 марта 2019 года .
  39. ^ Стиксруд, Л.; Коэн, Р. Э. (1995). «Упругость железа при высоком давлении и анизотропия внутреннего ядра Земли». Science . 267 (5206): 1972–75. Bibcode :1995Sci...267.1972S. doi :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.). Получено 27 января 2012 г.
  41. ^ Озава, Х.; др., и др. (2011). «Фазовый переход FeO и стратификация во внешнем ядре Земли». Science . 334 (6057): 792–94. Bibcode :2011Sci...334..792O. doi :10.1126/science.1208265. PMID  22076374. S2CID  1785237.
  42. ^ Herndon, JM (1980). «Химический состав внутренних оболочек Земли». Proc. R. Soc. Lond . A372 (1748): 149–54. Bibcode : 1980RSPSA.372..149H. doi : 10.1098/rspa.1980.0106. JSTOR  2398362. S2CID  97600604.
  43. ^ Herndon, JM (2005). "Научная основа знаний о составе Земли" (PDF) . Current Science . 88 (7): 1034–37. Архивировано (PDF) из оригинала 2020-07-30 . Получено 2012-01-27 .
  44. ^ Баффет, Брюс А. (2010). «Приливное рассеяние и сила внутреннего магнитного поля Земли». Nature . 468 (7326): 952–94. Bibcode :2010Natur.468..952B. doi :10.1038/nature09643. PMID  21164483. S2CID  4431270.
  45. ^ Дэвид К. Ли (19 января 2022 г.). «Исследователи утверждают, что ядро ​​Земли остывает быстрее, чем считалось ранее». NBC News .
  46. ^ "Core". National Geographic . Получено 15 июля 2024 г.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки