Походження Землі

Яким був процес утворення Землі та Сонячної системи мільярди років тому можна лише здогадуватись на основі спостережень за сучасними процесами, що відбуваються в космосі. В 1755 р. німецький філософ Еммануїл Кант, пiдтриманий вiдомим математиком П’єром Лапласом висунули свою гiпотезу про походження Землі, яка зараз відома в науцi як гіпотеза Канта-Лапласа. За цiєю гiпотезою Сонце і планети утворились внаслідок ущільнення речовини в гарячій газово-пиловій туманності, в центрі якої під впливом складних обертових рухів сформувалось розпечене світило, а на периферії - швидко охоловші планети, в тому числі і Земля.

Новішими досягненнями науки, якими була доведена неможливість утворення планет при ущільненні розжарених газів та пилу, ця гіпотеза була спростована. Натомість в 40-ві – 60-ті роки минулого віку радянськими академіками О.Шмідтом і В.Фесенковим була запропонована інша гіпотеза планетотворення. Згідно з уявленнями цих вчених, приблизно 10 мільярдів років тому на місці нашої галактики та інших сусідніх галактик існувала газопилова туманність. Вона знаходилась в холодному стані i вміщувала, в основному, атомарний водень, в меншій кількості – інші гази.

Під впливом сил взаємопритягання часток газові хмари почали стискуватись, одночасно зростала її внутрiшня температура. Виникали термоядернi реакції, в процесi яких водень перетворювався в гелій, при цьому видалялась величезна кількість енергiї – спалахували зірки. Так, приблизно 6 мільярдів років тому утворилось Сонце і протопланетна газопилова хмара навколо нього.

Протягом декількох сот мільйонів років протопланетна хмара охолоджувалась. Із гарячої газопилової хмари конденсувались тугоплавкі елементи: вольфрам, титан, гафній, ніобій, молібден, платина та iнші. З’явились пилоподібні тверді частинки i колись розпечена хмара знову стала відносно холодною.

Приблизно 4, 5 млрд. років тому назад із охоловшої газопилової речовини виникли першi планети, в тому числi i первинна Земля. Пiд впливом гравітаційного ущільнення, безперервних ударів космічних тіл (комет та метеоритів) i виділення тепла радіоактивними елемента-ми. Протоземля стала нагрiватись. Одночасно відбувалась диференцi-ацiя речовини Протоземлi, яка призвела до концентрацiї важких елементiв в земному ядрі, більш легких – в мантії, а ще легших – в земній корі, гідросфері та атмосфері. Ознаки останніх фіксуються в геологічній історії Землі починаючи з 4 мільярдів років тому. Процес диференціації речовини в надрах Землі вірогідно продовжується і в наші дні.

2.4. Форма та розміри Землі

Як відомо, планета Земля має форму кулі, яка, якщо сказати образно, найбільш нагадує мандарин, тобто приплюснута біля полюсів і розтягнута біля екватора. Полярне стиснення Земної кулі зумовлене розподілом відцентрових сил, що виникають при обертанні планети навколо своєї осі і мають найбільше значення біля екватора – в тій області, де земна поверхня рухається з максимальною кутовою швидкістю. Екваторіальне коло теж має неправильну форму, тобто екваторіальні радіуси нерівні між собою. Математики та астрономи, серед яких найбільш відомими є Ф. Кросовський (СРСР), Д. Хайфорд, Р. Бешел (США), визначили математичну форму Землі як тривісний еліпсоїд обертання і обчислили основні його параметри. Згідно цих розрахунків (з точністю до 0, 1 км), які прийняті за основу при виконанні автономічних, геодезійних, геологічних та інших глобальних обчислень у всьому світі (в тому числі і в Україні): екваторіальний радіус – А = 6378, 2 км, полярний радіус - Б = 6356, 9 км, стиснення земного еліпсоїду = = (21, 4 км), радіус кулі рівної із земним еліпсоїдом по об’єму (R)= = 6371, 1 км (мал.2).

Мал.2. Форма Землі

2.5. Будова Землі.

Середній радіус Землі 6371, 1 км. Найглибші свердловини, в яких вивчені нашарування Землі, пробурені в Росії та в Канаді, досягають глибини 12 і 14 км. Найглибша шахта сягає 4, 4 км. Із наведених цифр видно наскільки мізерні технічні можливості безпосереднього дослідження глибоких надр Землі людиною.

Інформацію про глибинну будову Землі геологи отримують геофізичними методами, в основному, за допомогою вивчення фізич-них полів планети і швидкості проходження через неї сейсмічних хвиль (пружних коливань). Останні мають здатність сповільнюватись або прискорюватись при проходженні через границі глибинних шарів різної щільності – так звані “хвилеводи”. Фіксування глибин залягання “хвилеводів” у планетарному масштабі дало вченим змогу виділити в Землі основні її сфери: ядро, мантію, астеносферу, літосферу, земну кору (мал.3), основні параметри яких подаються далі за розрахунками Л.П. Зоненшайна та Л.А. Савостіна.

Мал.3. Будова Землі

Ядро Землі за геофізичними даними починається з глибини приблизно 2900 км. Внутрішня його частина ймовірно тверда і утворена із щільної (до12-13 г/см ³) речовини, близької за складом до залізних метеоритів. Швидкість сейсмічних хвиль у внутрішньому ядрі досягає 11 км/с. В центрі ядра температура оцінюється в 3500-5000 °С, тиск - 350 млрд. Па. Зовнішня оболонка ядра складена речовиною, котра має щільність до 10, 0 г/см ³ і різко понижені (до 7, 6 км/с) швидкості поздовжніх сейсмічних хвиль, а поперечні сейсмічні хвилі в цій речовині зовсім не поширюються. Тому вважають, що у зовнішньому ядрі знаходяться розплавлені метали.

Мантія на материкахпід рівнинами починається з глибин 30-40 км, а під горами - з глибин 50-80 км. У океанах вона фіксується вже на глибинах від 8-10 км нижче поверхні дна. За складом мантія в цілому відповідає кам’яним метеоритам і складається переважно із щільних оксидів магнію, заліза, кремнію. Щільність речовини в мантії зростає з глибиною від 3, 3 до 5, 5 г/см ³, температура – від 1200 до 2500°С, тиск на межі з ядром сягає близько 140 млрд. Па. Нижня частина мантії характеризується високими швидкостями поздовжніх сейсмічних хвиль (11, 5-13, 9 км/с), в той час як у верхній мантії ці хвилі мають швидкість лише 8, 1-9 км/с. Границя між нижньою і верхньою мантією знаходиться на глибинах від 400- 800 км і носить назву “шар Голіцина” за іменем одного з основоположників сейсмології Б.Б. Голіцина.

Астеносфера знаходиться у верхній мантії на глибинах в середньому 100-200 км і є зоною підносного пом’якшення, розущіль-нення, пластичності та рухомості порід. В межах даного шару відбувається затухання швидкості поперечних сейсмічних хвиль до 0, 2-0, 3 км/с. Товщина шару понижених швидкостей досягає 200-300 км. На думку російського академіка В.В. Білоусова, речовина верхньої мантії в цій зоні може плавитись, перетворюючись у високо-температурне місиво - магму, котра утворює своєрідні скупчення - астеносферні діапіри і місцями проникає аж до поверхні Землі.

Літосфера - кам’яна оболонка Землі. Складена розміщеними над астеносферою твердим шаром верхньої мантії та земною корою загальною потужністю 100-200 км. Межа між ними добре фіксується по різкій зміні швидкості поздовжніх сейсмічних хвиль: від 6, 7 км/с в земній корі, до 8, 1 км/с у верхній мантії. В честь свого першо-відкривача вона отримала назву поверхня ‘Мохоровичича’ або просто поверхня “Мохо”. Мантійна підошва літосфери за складом відповідає перидотитам – щільним (3, 3-3, 5 г/см ³) гірським породам, котрі місцями знаходяться в серединоокеанічних хребтах, де можливі виступи верхньої мантії на поверхню Землі.

Літосфера не суцільна, а складається з літосферних плит: Євразійської, Африканської, Індо-Австралійської, Антарктичної, Тихоокеанської, Північноамериканської, Південноамериканської та ще кількох менших за розмірами. Плити рухаються, тобто ковзають по поверхні пластичної астеносфери: розходяться і сходяться між собою. Межі розходження літосферних плит проходять по серединно-океанічних хребтах, в котрих краї плит нарощуються новоутвореною океанічною корою. Межі сходження літосферних плит простягаються вздовж активних континентальних окраїн: по глибоководних жолобах і передгірських прогинах та супутніх їм лінійних гірських системах, де краї одних плит занурюються в мантію, а протилежних на них насовуються. На межах розходження та сходження літосферних плит виникають землетруси і відбувається виверження вулканів.

Земна кора – зовнішня оболонка літосфери. На відміну від більш глибоких сфер, вона найкраще вивчена. Середня щільність земної кори складає 2, 5-2, 9 г/см³. Основну роль в її будові відіграють наступні хімічні елементи (за О.П. Виноградовим):

Кисень 47, 00 Калій 2, 50

Кремній 29, 50 Магній 1, 87

Алюміній 8, 05 Титан 0, 45

Залізо 4, 65 Водень 0, 15

Кальцiй 2, 96 Всі iншi 0, 37

Натрiй 2, 50 Всього 100, 00%

У самородному стані хімічні елементи в земній корі зустрічаються рідко. Здебільшого вони утворюють тверді хімічні неорганічні сполуки – мінерали та агрегатні скупчення мінералів - гірські породи. За місцем розпосюдження і співвідношенням переважаючих гірських порід виділяють два типи земної кори: океанічну кору та материкову, а серед них окремі породні шари.

О к е а н і ч н а к о р а в своїй основі має базальтовий шар, складений широко розповсюдженими гірськими породами – базальтами. На базальтовому залягає осадовий шар, складений кременистими, глинистими, піщаними та карбонатними відкладами. Середня потужність (товщина) океанічної кори близько 5 км.

М а т е р и к о в а к о р а значно потужніша. На рівнинах континентів її середня товщина становить 35 км, а у горах зростає до 50-80 км. Фундаментом материкової кори служать грануліто-базитовий та граніто-гнейсовий шари, складені відповідними крис-талічними породами, котрі виступають на поверхню в древніх ядрах материків – щитах (наприклад в Українському кристалічному щиті). Здебільшого зверху вони покриті верствами осадових відкладів, тобто осадовим шаром.

Потужність останнього на континентах змінюється від нуля до кількох кілометрів і значно зростає в прогинах та гірських областях. Крім того, в горах осадові верстви зібрані в складки і багато разів насунуті одні на одних, утворюючи грандіозні лінійні скупчення у вигляді окремих хребтів, складчастих систем та поясів, наприклад, такі як Альпійсько-Гімалайський складчастий пояс, до якого належать Карпати та Кримські гори.