Какое давление внутри земли

5. Температура и давление внутри Земли

Чтобы рассчитать, каких значений достигает давление внутри Земли, вызванное весом горных пород, слагающих различные оболочки, нужно знать плотность пород на всех глубинах и величину силы тяжести также на всех глубинах вплоть до центра.

Как мы видели, плотность пород с глубиною растет, хотя и неравномерно. От 2,5 на поверхности она доходит до 3,4 на глубине около 100 км и до 6,0 на уровне 2900 км ниже поверхности. Здесь, на границе ядра, в величине плотности наблюдается скачок: она сразу достигает значения 9,5 (приблизительно), а далее снова растет равномерно, доходя в центре ядра до 12,5 (по М. С. Молоденскому, 1955) (см. рис. 8).

Рис. 8. Изменение плотности внутри Земли.

Что касается силы тяжести, то о ней можно сказать следующее. Сила тяжести — сила, с которой Земля притягивает к себе все тела. Под влиянием этой силы тела, находящиеся в свободном состоянии (например, в воздухе), падают на Землю, т. е. движутся по направлению к центру Земли, постепенно убыстряясь, т. е. получая «ускорение». Величину «ускорения силы тяжести» можно вычислить. На поверхности Земли ускорение силы тяжести равно приблизительно 9,8 м/сек2; в глубине Земли оно сначала немного возрастает, достигая максимума близ поверхности ядра, а затем быстро падает, доходя в центре Земли до нуля (рис. 9). Это понятно: точка, находящаяся в центре земного шара, притягивается всеми окружающими ее частями, с одинаковой силой по всем радиусам, а в итоге равнодействующая будет равна нулю.

Какое давление внутри земли

Рис. 9. Изменение ускорения силы тяжести внутри Земли.

Обладая указанными сведениями, мы можем вычислить вес столбика пород с поперечным сечением, равным 1 кв. сантиметру, и длиной, равной радиусу Земли или любой его части. Это и будет давление, оказываемое весом вышележащих пород на элементарную площадку (1 кв. см)в глубине Земли. Расчеты приводят к следующим цифрам: у «подошвы» земной коры, т. е. у основания сиалической оболочки (на глубине 50 км) — около 13 тыс. атмосфер, т. е. около 13 тонн на квадратный сантиметр; на границе ядра — около 1,4 миллиона атмосфер; в центре Земли — около 3 млн. атмосфер (рис. 10). Три миллиона атмосфер — это приблизительно три тысячи тонн на квадратный сантиметр. Это — огромная величина. Ни в одной лаборатории достичь таких давлений пока не удалось.

Какое давление внутри земли

Рис. 10. Изменения давления внутри Земли.

Перейдем к температуре. По данным измерений в буровых скважинах, а также в шахтах, выяснено, что с глубиной температура растет, поднимаясь приблизительно на 3° на протяжении каждых 100 метров. Подобный темп роста температуры сохраняется всюду, на всех материках, но лишь в наружных частях Земли, близ самой ее поверхности. С глубиной величина «геотермического градиента» (геотермический градиент — изменение температуры в градусах на каждый сантиметр) падает. Вычисления, основанные на учете теплопроводности горных пород, показывают, что геотермический градиент, известный для наружных частей земного шара, сохраняется не далее, чем на протяжении первых 20 км; ниже рост температуры заметно замедляется. У подошвы сиалической оболочки вряд ли температура будет выше 900°; на глубине 100 км — около 1500°; дальше рост ее еще более замедляется. Что касается центральных частей Земли, в частности ядра, то с достоверностью о них оказать что-либо очень трудно. Специалисты, изучавшие этот вопрос, полагают, что недра Земли нагреты не выше, чем на 2–3 тысячи градусов (рис. 11).

Какое давление внутри земли

Рис. 11. Изменение температуры внутри Земли.

Может быть, интересно для сравнения напомнить, что в центре Солнца температура оценивается в 1 миллион градусов, на поверхности Солнца — около 6000°. Волосок горящей электрической лампочки накален до 3000°.

Интересные данные имеются по вопросу об источниках тепла и тепловом режиме земного шара. Когда-то считалось, что Земля сохраняет в себе «первозданное» тепло, оставленное ей «в наследство» Солнцем, и постепенно теряет его, остывая и сокращаясь в объеме. Открытие радиоактивных элементов изменило прежние представления. Оказалось, что породы, слагающие земную кору, содержат радиоактивные элементы, которые самопроизвольно и непрерывно выделяют тепло. Количество этого тепла оценивается приблизительно в 6 миллионных долей малой калории на 1 кубический сантиметр породы в год, а для того, чтобы покрыть весь расход тепла, излучаемого земной поверхностью в мировое пространство, нужно, чтобы такой же элементарный кубик породы выделял всего лишь три десятимиллионные части малой калории в год. Другими словами, нет никаких оснований полагать, что земной шар остывает. Скорее, наоборот, он может разогреваться. На этом основании в последние годы предложены новые гипотезы развития земной коры и происхождения движений, испытываемых ею.

Учитывая наличие высокой температуры в недрах Земли, мы вправе поставить такой вопрос: в каком же физическом («агрегатном») состоянии находятся внутренние части Земли? В твердом или жидком, или, быть может, газообразном?

Последняя версия, т. е. представление о газообразном состоянии вещества внутри Земли, может быть сразу отклонена. Чтобы превратить в газ минералы, слагающие Землю, нужна гораздо более высокая температура, чем та, которая допустима, судя по изложенным выше данным.

Но в жидком состоянии породы могут оказаться. Известно, например, что «кислые» породы плавятся при 1000°, «основные» — при 1000–1200°, «ультраосновные» — при 1300–1400°. Это значит, что уже на глубине 100–130 км породы должны бы расплавиться. Но там очень высокое давление, а давление повышает температуру плавления. Чье же влияние окажется бóльшим: высокой температуры или высокого давления?

Здесь нужно снова обратиться к помощи сейсмических наблюдений. Продольные и поперечные волны свободно проходят через все оболочки Земли, заключенные между поверхностью Земли и границей ядра; следовательно, всюду здесь вещество ведет себя, как твердое. С таким выводом согласуется заключение астрономов и геофизиков, которые показали, что твердость Земли в целом близка к твердости стали. По вычислениям В. Ф. Бончковского, твердость Земли оценивается в 12 · 1011 дин на квадратный сантиметр, что в четыре раза больше твердости гранита.

Таким образом, совокупность современных данных говорит о том, что все оболочки Земли (кроме ее ядра!) должны считаться находящимися в твердом состоянии. Жидкое состояние материи можно допустить лишь для совершенно незначительных участков в толще земной коры, с которыми непосредственно связаны вулканы.

Источник

Давление внутри Земли и её магнитное поле — Наука и Техника — Каталог статей

Давление в любой точке внутри Земли измеряется весом столбика вещества с поперечным сечением 1 см 2 и длиной, равной расстоянию от данной точки до земной поверхности. Вещество Земли с глубиной испытывает все большее воздействие давления вышележащих толщ горных пород и в связи с этим все более уплотняется. Учитывая плотность Земли и изменения ускорения силы тяжести, ученые подсчитали давление на различных глубинах. По В. А. Магницкому, на глубине 1 км давление равно 275 атм; у подошвы земной коры на глубине 50 км — около 13 000 атм. На границе мантии и ядра (2900 км) давление составляет около 1,3— 1,4 млн. атм, а в центре Земли — свыше 3 млн. атм. На больших глубинах с возрастанием давления существенно изменяется и строение вещества Земли.

Уже в глубокой древности людям были известны магнитные свойства Земли. Научное объяснение геомагнетизму дал впервые в 1600 г. придворный врач английской королевы Елизаветы I Вильям Гильберт. Он показал, что магнитное поле Земли сходно с полем магнитного диполя (два полюса), т. е. Земля представляет собой как бы гигантскую стрелку в форме шара. Позднее было установлено, что земное магнитное поле сходно с полем сферического магнита, ось которого наклонена к оси вращения Земли на 11 °. В силу этого магнитные полюса не совпадают с географическими полюсами. С помощью ракет и искусственных спутников установлено, что магнитное поле простирается на расстояние до 93 тыс. км от поверхности Земли.

Для каждой точки земной поверхности рассчитывается теоретическое значение магнитного поля исходя из однородного строения Земли. Но в действительности магнитное поле в различных местах неодинаково. Обычно оно отличается от среднего значения, теоретически вычисленного для данной местности. Такие отклонения называются магнитными аномалиями. Они могут быть обусловлены, в частности, залежами подземных магнитных пород и руд. Примером может служить крупнейшая Курская магнитная аномалия. В ее пределах под земной поверхностью скрывается уникальное месторождение железистых кварцитов. Железные руды здесь создают магнитную напряженность, в пять раз большую средней напряженности магнитного поля Земли.

Магнитные аномалии используются для изучения строения земной коры и поисков месторождений полезных ископаемых. Они улавливаются специальными приборами — магнитометрами. Методы изучения строения земной коры и поисков полезных ископаемых, основанные на магнитных свойствах горных пород, называются магнитометрическими методами, или магниторазведкой. Данные магнитных исследований наносятся на магнитометрические карты.

В пределах материков магнитные аномалии обычно имеют в плане замкнутые округленные очертания. Проведенное в последние годы изучение магнитного поля океанов показало существенное отличие его от материкового магнитного поля. Оказалось, что дну океанов присущи полосовые магнитные аномалии (рис. 5). Они вытянуты линейно на сотни километров параллельно срединно-океаническим хребтам. На магнитных профилях, пересекающих срединные хребты, наблюдается постепенное повышение интенсивности и уменьшение длины волны магнитной аномалии при приближении к осевой линии хребтов. При переходе от гребня хребта к его склонам полосовые магнитные аномалии быстро ослабевают. Английские геофизики Ф. В айн и Д. Мэтьюз в 1963 г. обратили внимание на то, что на отдельных участках профилей наблюдается хорошо выраженная симметрия магнитных аномалий. Аномалии равной интенсивности, формы и ширины располагаются симметрично по обе стороны от центральной аномалии, соответствующей риф-товой долине. В этом случае левая половина магнитного профиля оказывается приближенным зеркальным отражением правой стороны, и наоборот. Общая ширина чередующихся положительной и отрицательной полос составляет в среднем около 35 км. Подобные полосовые магнитные аномалии обнаружены только над срединноокеаническими хребтами.

Одной из характерных особенностей земного магнитного поля является его изменчивость во времени. На протяжении геологической истории происходило многократное изменение полярности магнитного поля Земли. Это свойство используется при проведении палеомагнит-ных (греч. «палео» — древний) исследований. Они основаны на том, что магнитные породы приобретают и сохраняют намагниченность, характерную для времени их образования. Например, лавовый поток из вулканов во время охлаждения приобретает намагниченность, параллельную существующему в данную эпоху магнитному полю. Этот «ископаемый» магнетизм позволяет нам сегодня судить о магнитном поле Земли, которое было в период застывания лав. По остаточному магнетизму, запечатленному в породах, восстанавливают перемещение магнитного поля в истории Земли.

Чередование эпох прямой и обратной намагниченности запечатлено и в колонках осадков, накопившихся на океаническом дне. Научно-исследовательские суда специальными трубками длиной более 30 м подняли такие колонки в разных пунктах океанов. Ученые исследовали их намагниченность. Оказалось, что современные осадки, заполняющие верхнюю часть трубки, характеризуются намагниченностью, соответствующей современному магнитному полю. Под ними залегают осадки обратно намагниченные и т. д. В новейшее геологическое время продолжительность эпох одной полярности составляла в среднем около 2-105 лет. Предполагают, что в более древнее геологическое время эти периоды были больше, достигая 10 6—10 7 лет.

В настоящее время установлено, что почти весь земной магнетизм имеет источники внутри Земли. И образуется за счет токов, циркулирующих на больших глубинах. В частности, английский геофизик Е. Буллард — автор наиболее признанной гипотезы — объясняет существование магнитного поля Земли неодинаковым вращением ядра и вышележащих оболочек.

Магнитное поле, окружающее Землю, задерживает потоки заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем, и не пропускает их к поверхности Земли. Удерживаемые в верхних слоях атмосферы заряженные частицы образуют пояс радиации. Впервые он был открыт во время исследования космического пространства вторым советским искусственным спутником Земли.

Источник

ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ В НЕДРАХ И ВЕЩЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Какое давление внутри земли
Устал с поисками информации? Мы тебе поможем!

Цель: знакомство с характером распределения давления и температуры в недрах и вещественным составом земной коры.

Теоретическая часть:

Давления в недрах Земли

Плотность пород с глубиной растет, хотя и неравномерно. От 2,5 на поверхности она доходит до 3,4 на глубине около 100 км и до 6,0 на уровне 2900 км ниже поверхности. Здесь, на границе ядра, в величине плотности наблюдается скачок: она сразу достигает значения 9,5 (приблизительно), а далее снова растет равномерно, доходя в центре ядра до 12,5 (по М. С. Молоденскому, 1955) (рисунок 1).

Рисунок 1 – Изменение плотности вещества внутри Земли

Что касается силы тяжести, то о ней можно сказать следующее. Сила тяжести — сила, с которой Земля притягивает к себе все тела. Под влиянием этой силы тела, находящиеся в свободном состоянии (например, в воздухе), падают на Землю, т. е. движутся по направлению к центру Земли, постепенно убыстряясь, т. е. получая «ускорение». Величину «ускорения силы тяжести» можно вычислить. На поверхности Земли ускорение силы тяжести равно приблизительно 9,8 м/сек2; в глубине Земли оно сначала немного возрастает, достигая максимума близ поверхности ядра, а затем быстро падает, доходя в центре Земли до нуля (рисунок 2). Это понятно: точка, находящаяся в центре земного шара, притягивается всеми окружающими ее частями с одинаковой силой по всем радиусам, а в итоге равнодействующая будет равна нулю.

Рисунок 2 – Изменение ускорения силы тяжести внутри Земли

Обладая указанными сведениями, мы можем вычислить вес столбика пород с поперечным сечением, равным 1 кв. сантиметру, и длиной, равной радиусу Земли или любой его части. Это и будет давление, оказываемое весом вышележащих пород на элементарную площадку (1 кв. см) в глубине Земли. Расчеты приводят к следующим цифрам: у «подошвы» земной коры, т. е. у основания сиалической оболочки (на глубине 50 км) — около 13 тыс. атмосфер, т. е. около 13 тонн на квадратный сантиметр; на границе ядра — около 1,4 миллиона атмосфер; в центре Земли — около 3 млн. атмосфер (рисунок 3). Три миллиона атмосфер — это приблизительно три тысячи тонн на квадратный сантиметр. Это — огромная величина. Ни в одной лаборатории достичь таких давлений пока не удалось.

Рисунок 3 – Изменения давления внутри Земли

Температуры внутри Земли

Источники внутреннего тепла

Внутренняя тепловая энергия могла сохраниться со времен образования земного шара. Такое тепло именуют реликтовым – это остаточное тепло, постепенно теряемое Землей. Из других возможных источников внутреннего тепла внимания заслуживают:

— тепло, выделяемое при уплотнении и гравитационном перераспределении вещества земных недр;

— возможные химические реакции между различными веществами;

— радиоактивное тепло, выделяемое при распаде неустойчивых изотопов, таких химических элементов как U235, U238, Th232, K40 и др.

Следует отметить, что доля каждого из этих возможных источников тепла в общем его балансе внутреннего тепла точному определению не поддается.

Заметной роли в общем балансе внутреннего тепла не имеет и солнечный нагрев поверхности Земли, сказывающийся до глубины всего в несколько десятков метров.

Понятие о поясе постоянных температур, геотермический градиент и геотермическая ступень

Теплота приповерхностного слоя, толщиной всего в несколько десятков метров, целиком зависит от солнечного нагрева, поскольку внутренний тепловой поток составляет всего 0,5 % солнечной теплоты.

Величина солнечного нагрева поверхности зависит от широты местности, кроме того, количество теплоты, получаемой от Солнца, колеблется по сезонам года и в различное время суток. Сезонные и суточные колебания температуры поверхности Земли с глубиной убывают и, наконец, нивелируются полностью. Слой Земли, в котором не наблюдается сезонных и суточных изменений температур, называется слоем постоянных температур. Обычно его температура соответствует среднегодовой климатической температуре местности. Глубина его залегания меняется от местности к местности, в экваториальных областях она составляет всего 1 – 2 м, в областях тропического и умеренного климата может составлять несколько десятков метров (г. Ставрополь – 24 м), а в зонах субарктического климата вновь уменьшается до 1 – 10 м. Температура слоя постоянных температур может быть и отрицательной. Это области существования т.н. «вечной», или многолетней, мерзлоты, к ней относится ¾ территории России.

Ниже пояса с постоянной температурой последняя постепенно повышается, о чем свидетельствуют наблюдения в глубоких шахтах и скважинах. Известен факт об остановке добычи золота в шахте на Комстокской жиле в Неваде на глубине 600 м, т.к. температура в ней достигла 42,2 ◦С, то есть предела, за которым человек не может работать в рудничной атмосфере.

Расстояние, на которое вглубь Земли температура повышается на 1 ◦С, называется геотермической ступенью. Величина ее изменяется от 1 – 2 м (Камчатка, район Пятигорска) до 160 – 170 м (Южная Африка, Трансвааль).

Прирост температуры в градусах Цельсия на 100 м либо 1 км углубления называется геотермическим градиентом. Геотермический градиент варьирует обычно в пределах от 0,5 до 25 ◦С на 100 м глубины. Высокие значения обычны для районов молодого возраста и высокой тектонической активности (молодые складчатые горы).

Знание величины геотермической ступени и глубины залегания пояса постоянных температур позволяют рассчитать температуру на разных глубинах в проектируемых скважинах.

Распределение температур в недрах Земли

О распределении температур до глубин в несколько километров сказано выше. Суждения о температурах более глубоких частей Земли базируются на наблюдениях за процессами вулканизма и температурой лавы, а также на косвенных данных о состоянии вещества на больших глубинах, например, о данных сейсмологии о «жидком» состоянии ядра, расплавленных очагах в астеносфере.

Данные о теплопроводности горных пород, величине теплового потока из недр земли показывают, что геотермический градиент, известный для наружных частей земной коры, сохраняется не более, чем для первых 15 – 20 км. Глубже рост температуры замедляется, и у подошвы земной коры не превышает 1000 ◦С. На границе ядра с мантией, на глубине 2900 км, она может составлять 2 – 2,5 тыс., а в центре ядра – 5 – 6 тыс. градусов.

Дата добавления: 2016-11-23; просмотров: 2155 | Нарушение авторских прав | Мы поможем в написании ваших работ!
| Изречения для студентов