Расскажу-ка я про базовые факты и следствия из них — на основе которых строится вся геология. Ибо нередко у непосвящённых возникает ощущение, что учёные взяли и выдумали все свои теории от скуки и для поддержки чувства собственного величия.
На фото 1983 года Великий Атуин, слоны и Мир на фоне Вселенной — про них ничего не будет
Нижесказанное будет относиться к геологии, но может быть применено к любой области знаний. Чтоб воспринимать дальнейшее нужно условиться (хотя бы сделать вид), что арифметика, евклидова геометрия, физика/химия за 7-9 класс школы нами принимаются как реальность, не требующая доказательств. И, да! – Землю будем считать шарообразной – иначе не интересно. Логика тоже будет использоваться, даже если это оскорбит её противников.
Начнём с базы:
«Гравитация» — фильм режиссёра Альфонсо Куарона, 2013 год
В первом приближении можно считать Землю однородным шаром массой M = 6*1027 г и радиусом R = 6,37*108 см.
Тогда энергия, необходимая для удаления единичной массы с поверхности Земли, на бесконечность (гравитационный потенциал на поверхности Земли) будет равна:
Ug =
Это даёт нам многое для дальнейших рассуждений. Например, понимание того, почему атмосфера Земли именно такова по толщине и составу. Любой объект, обладающий энергией больше Ug может удалиться навсегда от Земли. Для этого ему надо набрать т.н. вторую (именно вторую: он же далеко летит — на бесконечность) космическую скорость (около 11км/с) для нашей планеты. Скорость молекул зависит от температуры газа и от массы самих молекул. Молекулы лёгких газов – водород, гелий уносятся быстро, тогда как тяжёлые молекулы азота и кислорода уносятся в космос значительно медленней. Таким образом потенциал силы тяжести (размеры и масса планеты), а также расстояние от солнца (количество энергии, получаемое Землёй) накладывают ограничения на химический состав атмосферы.
Теперь про собственно Землю
Как вводную примем, что Земля образовалась путём аккреции (аккреция – слипание крупности из мелкости) из протопланетного диска одновременно с образованием Солнечной системы. Почему именно так, скажу, когда буду вещать про возраст Земли.
При аккреции Земли и дальнейшей гравитационной дифференциации (расслоении под действием силы тяжести) получаем столько энергии, что если её взять разом, можно полностью испарить несколько таких планет как наша. Энергия получается по тому же принципу, что мы рассчитывали гравитационный потенциал – только там тратим энергию, чтоб удалить массу а тут получаем энергию при присоединении массы. Этой энергии в виде тепла вполне хватает, чтоб обеспечить всю планетную динамику и эволюцию на долгие-долгие годы вперёд.
Чтоб узнать о свойствах Земли на глубине используют сейсмические (ударные) волны от взрывов (лучше всего подземных ядерных) или землетрясений.
Оголовок скважины, в которой проводили ядерный взрыв
Волны в толще планеты попадая на границы областей с разной плотностью отражаются, преломляются, рассеиваются и поглощаются. Детекторы на поверхности Земли фиксируют то что прошло насквозь или отразилось обратно и в стороны. Обрабатывая показания детекторов со всего глобуса и осмысливая их, получаем картину внутреннего строения Земли.
Обратите внимание: поперечные волны (это как рябь на пруду) гаснут на краю земного ядра. Это однозначно говорит о том, что ядро жидкое (расплавленное). Продольные волны (по сути звуковые в них частицы колеблются вдоль оси распространения) могут распространяться в жидкости, чем они и занимаются на картинке. Продольная волна, проходящая жидкое ядро не под прямым углом изгибается, что говорит нам о присутствии там ещё одной границы – внутреннего твёрдого ядра.
Как говорил мой дед – крутой инженер ядерщик: «Земля имеет форму чумадана, несколько сплюснутого у полюсов». И он был совершенно прав! Именно что несколько сплюснута, но не так как положено.
А вот и доказательство
Сплюснутость у нас 1: 298,25 что немного меньше, чем если бы Земля реагировала на центробежные силы как жидкость – было бы 1:300. Это становится понятным, если принять во внимание, что Земля ведёт себя как очень тягучая жидкость и в прошлом вращалась быстрее, а сейчас просто не успела принять положенную форму.
О более быстром вращении Земли нам явно говорит наблюдаемое отдаление Луны от нас. Если совсем просто – в системе Земля-Луна за счёт приливных взаимодействий Луна отбирает энергию вращения Земли и тратит её на удаление от нас. Это невероятно интересно, если мысленно проследить процесс обратно во времени – можете попробовать сами!
Это запаздывание в изменении формы Земли позволяет прикинуть вязкость основной части планеты. Получится что-то вроде 1026 см2/с– это ну очень твёрдая и совсем не текучая штука, если по ней стучать. Но если сильно давить пару сотен миллионов лет, то получится вполне себе жидкость.
Измерения и их результаты
В первой половине XVIII в. известный французский научный деятель Пьер Буге, измеряя радиус Земли в горной части Перу, заодно решил проверить, как масса гор может отклонить линию отвеса и искажать его измерения формы планеты. К своему удивлению наш натуралист увидел, что результаты не зависят от расстояния до горы, как если бы её вообще не было.
Фото в цвете: Фиксация положения отвеса возле гравитирующей массы Пизанской башни 1355 год. Реконструкция 1989 года
Если обобщить результаты таких измерений по всей Земле, становится ясно, что масса вертикального столба данного сечения в Земле всюду одинакова, независимо от рельефа и высоты, как в океанах, так и на материках. Получается, что высокий столб более лёгкой породы (горы) вытесняет из-под себя часть более тяжёлой породы (мантия) и в целом вес всего столба данного сечения Земли остаётся постоянным. Как следствие этого появляются «корни гор» — утолщение земной коры под возвышенностями. Понятно, это происходит не мгновенно, что мы и наблюдаем, например, на Кольском и в Скандинавии откуда недавно ушёл толстенный ледник – нагрузка упала, и поверхность Земли постепенно «всплывает». С петровских времён некоторые места поднялись более чем на метр.
Астеносфера – слой в верхней части мантии выделяющийся пониженной вязкостью. Это вызвано частичным плавлением вещества слоя. Развита на большей части Земли. За счёт своей пластичности позволяет происходить динамическим процессам тектоники плит и изостатике.
Изостазия (изостатическое равновесие) — гидростатически равновесное состояние земной коры, при котором менее плотная земная кора (средняя плотность 2,8 г/см³) «плавает» в более плотном слое верхней мантии — астеносфере (средняя плотность 3,3 г/см³), подчиняясь закону Архимеда.
Двинем в глубины!
Обобщив данные сейсмики, получим такую схематичную картинку из школьного учебника:
- Земная кора – 30-70 км на материках, 6-8 км в океанах. Это камень — твёрдый и в общем холодный. Под ней т.н. зона МОХО или граница Мохоровичича (по фамилии первооткрывателя) на этой границе плотность вещества скачком увеличивается.
- Мантия, в которой выделяют несколько слоёв с разными сейсмическими характеристиками. В её верхней части присутствует слой повышенной текучести – астеносфера. Мантия — твёрдое вещество, довольно сильно нагретое, в долгосрочной перспективе ведёт себя как густая жидкость. Прогрев довольно равномерный, что говорит о перемешивании вещества.
- Внешнее ядро – жидкое расплавленное, без всяких оговорок.
- Внутреннее ядро – твёрдое. Горячее, но при тех давлениях жидким быть уже не может.
Нынче успехи сбора и анализа сейсмоданных таковы, что уже вполне активно составляются 3d карты внутримантийных потоков, рельефов границ оболочек Земли, оконтуривание коровых блоков, в том числе затянутых в мантию и т.п. Из свежего, например, крупнейшие сейсмические и гравитационные аномалии в мантии. Их две: Африканская и Тихоокеанская. Эти «пузыри», как их называют учёные, имеют пониженную плотность и очень медленно поднимаются от границы ядра.
Тут видно, что Земля не просто слоёный шарик, а имеет весьма сложную и интересную структуру и внутреннюю динамику. Анализ этих данных позволяет предположить, что африканская аномалия имеет относительно меньшую плотность и, следовательно, может быть менее стабильной, чем тихоокеанская аномалия, подразумевая, что две аномалии имеют разный состав, динамику и историю эволюции:
А вот ещё вот такие схемы распределения скоростей сейсмических волн:
Это от наших западных коллег – очень наглядно. Вверху слева хорошо видно как тихоокеанская плита затягивается под материковую плиту.
dVp — разница между наблюдаемой скоростью прохождения продольных волн и расчётной теоретической. Что говорит нам о разных упругих свойствах вещества. А они могут быть вызваны изменением плотности из за нагрева, разным химическим составом, перекристаллизацией вещества. Дальше нужно включать геолога в голове и разбираться с чем это связанно и чем можно подтвердить свои выводы.
Совместив множество изображений с разной глубины, например таких:
Получаем объёмную модель в реальном времени – что-то вроде этого:
Как и обещано, поговорим про возраст аккрецию и прочие протопланетные вещи.
До 1905 года геологов вполне устраивал вариант, что Земля имеет возраст 20-100 миллионов лет. Предполагалось, что именно за такой интервал времени могли отложиться все осадки общей геологической колонки и накопиться в изначально пресном океане современное количество растворенных в морской воде солей. Это очень расстраивало Дарвина и его последователей, ибо по их прикидкам этого категорически не хватало для развития современных видов. Они полагали, что сложность и разнообразие жизни можно объяснить, лишь допустив, что ее эволюция осуществлялась не менее чем в течение 200 миллионов лет (а лучше побольше). Подробнее о битве за возраст Земли уже недавно писали на Хабре.
Ч. Дарвин с грустью думает о недостаточном для него возрасте Земли
Чтоб они не грустили, в 1905 г. Резерфорд установил соотношения между радиоактивностью и атомным распадом. Это позволило разработать методы радиометрического определения абсолютного возраста в геологии.
Радиоактивный атом распадается и испускает радиацию (излучение) в совершенно случайный момент, но кусок радиоактивного вещества из огромного количества атомов ведёт себя вполне предсказуемо (спасибо точным наукам математической статистике и теории вероятности). А время за которое половина атомов распадётся (период полураспада) строго фиксировано и известно.
Цепочка ядерных реакций при распаде изотопа урана с атомным весом 238 – Сумма нейтронов и протонов в его ядре равна 238
Что получится в итоге ядерных реакций тоже известно. Теперь если посмотреть содержание в веществе продуктов ядерного распада, можно весьма точно узнать, когда оно образовалось.
Вариантов этих методов много: сравнивают количество и соотношение разных элементов и их изотопов, полученных из разных горных пород.
Довольно быстро выяснили, что на земной поверхности присутствуют минералы возрастом не менее 3,5 миллиардов лет.
Когда плотно разобрались в возможностях радиоизотопных методов, собрали данные по соотношению того вещества, что делает радиоактивный распад и того, что от него получается, посмотрели на это в метеоритах и в породах земной коры, а позже и в образцах с других планет стало ясно что:
- Земля, метеориты, другие планеты и Солнце образовались из одного общего месива. Земля обирая вещество из первоначальной разрозненной каши могла быть только однородной. При расслоении выделяется гравитационная энергия в виде тепла и её много.
- Земля и остальная солнечная система образовались, как обособленные тела, примерно в одно время
- Было это около 4,5 миллиардов лет назад
Вернёмся к Великому Атуину из начала статьи (он прекрасен). Сразу после него я говорил про выдумщиков-учёных. Теперь мы видим, что поле для фантазии у них сильно ограничено рамками жестоких фактов и бессердечной физики. Но с другой стороны, используя разум, любопытство и всякие лайфхаки, о которых я говорил выше, можно раскручивать мощнейшие детективные сюжеты: раскурочив несколько камней и послушав писк пары забавных приборов, узнать о трудном жизненном пути целой планеты!
- «Земля. Введение в общую геологию». Дж. Ферхуген, Ф. Тернер, Л. Вейс, К. Вархафтиг, У. Файф. (Перевод с английского Ю. П. Алешко-Ожевского, Р. М. Минеевой, Г. Н. Мухитдинова, П. П. Смолина. «МИР» 1974
- «Геодинамика» С.В. Аплонов. Издательство С.-Петербургского университета 2001
- Геологический словарь. «НЕДРА» 1973
- «Instability of the African large low-shear-wave-velocity province due to its low intrinsic density» www.nature.com Published: 10 March 2022
Комментарии (32)
N-Cube
20.03.2022 12:54+12К сожалению, совсем перепутаны факты и гипотезы. К примеру, зона Мохо выделяется изменением сейсмических скоростей, что отнюдь не свидетельствует об изменении плотности пород. Достаточно посмотреть результаты бурения Кольской сверхглубокой скважины - вообще все устоявшиеся теории строения Земли оказались неверными, в том числе, вовсе не было найдено резких границ плотности, соответствующих изменениям сейсмических скоростей, даже на огромных глубинах породы оказались трещиноватыми и заполненными водой (что, кстати, подтвердило мнение многих геологов о возможности миграции углеводородов сквозь твердые породы фундамента) и так далее. Ну и про Буге совсем невнятно сказано, хотя он, по сути, и основал всю геофизику, исходя из простых и проверяемых физических фактов. И да, приливное ускорение Луны чрезвычайно важно, но по совсем другой причине - энергия вращения в основном превращается в тепловую энергию, разогревая недра нашей планеты и влияя на потоки глубинного вещества в зависимости от их плотности (это даже на интерферограммах видно). И еще много всего с ног на голову автор поставил.
Bodiagnik Автор
20.03.2022 13:09+8Спасибо за коммент(он очень важен для нас;)) Про Кольскую писать не планировал - может быть сильно позже. Про неё полно исчерпывающей информации: монографий, учебников, видосиков.. Кстати именно Кольская сильно помогла построить современное виденье устройства земной коры, про это немного будет в Статье про геодинамику. Про трещиноватость и заполненность водой - очень интересно, скиньте ссылку - как раз собирался скоро писать про динамику океанских плит и про то почему нет открытых трещин глубже определённой зоны. Про миграцию нефти - да мигрирует, никто и не спорит. Про Буге он крассавчег! спору нет, но книги ЖЗЛ уже изданы, там всё есть. А вот про луну и разогрев будет отдельная эпическая статья в былинном(возможно) стиле, там впечатляющие картины будут показаны.
N-Cube
20.03.2022 14:27+8Если интересно - гляньте мои статьи на хабре, я много про геофизику и геологию писал с точки зрения радиофизика и с примерами различных вычислений на основе моего открытого пакета для спутниковой интерферометрии и прочего софта, что на гитхаб выкладываю.
Bodiagnik Автор
20.03.2022 14:49+1Конечно интересно! Можно ссылку на конкретную статью про трещины в глубинах?
N-Cube
20.03.2022 15:18+6Вообще-то я специально организовывал статьи сериями, но вот к примеру: https://habr.com/ru/post/565966/ и вот https://habr.com/ru/post/567428/ А вот численная модель, как соотносится распределение плотности в глубинах и поле силы тяжести на поверхности: https://github.com/mobigroup/gis-snippets/tree/master/Synthetic Model Inversion Ну а что касается именно Кольской сверхглубокий, то это даже в вики есть - я же пишу о методах, которые позволяют все это моделировать и анализировать.
funca
20.03.2022 17:44+1Как так получилось, что лёгкие летучие элементы типа водорода и гелия скучковались в центре солнечной системы и на 99.99% образовали звезду, а все тяжёлые (как углерод, железо и так далее) ни чего такого сделать не смогли и теперь летают вокруг да около нее планетами на переферии?
Bodiagnik Автор
20.03.2022 18:01+1Это на отдельную статью тянет)) Но схематично так: В солнце оно тоже есть. Возле Солнца лёгкие элементы в основном "сдуло" на переферию (см планеты газовые гиганты ). На внутренних орбитах остались булыжники.
funca
20.03.2022 21:44Как здесь вообще появились эти ваши тяжёлые элементы? Говорят, что они могут получатся лишь результате термоядерного синтеза из более лёгких. Но Солнце до сих пор перерабатывает водород в гелий. Откуда все остальное?
ilmarinnen
20.03.2022 21:46+5Если одним словом - то от взрывов сверхновых. А если подробнее, то вот картиночка:
А тут ещё больше)
funca
21.03.2022 07:53+1Так сверхновые это обычно где-то очень далеко. Как вся эта табличная геология оказалась здесь у нас?
ilmarinnen
21.03.2022 08:06+3Ну так это.. Времени было достаточно (13 млрд лет) чтоб, например, в нашем уголке Галактики успели образоваться и взорваться несколько сверхновых, а их остатки разлететься и собраться как надо.
funca
21.03.2022 09:41А этот наш винегрет из разных веществ - останки всего одной сверхновой или разных, - интересно, есть какие-то исследования?
axe_chita
21.03.2022 11:02Есть гипотеза, что часть тяжелых элементов появилась/появляется из отрывающейся вырожденной нейтронной материи с поверхности нейтронных звезд. Отрываясь, она мгновенно рекомбинирует в обычное вещество, и сталкивается с окружающим веществом на 0,3-0,5 скорости света. Но это только спекулятивная гипотеза, т.к. неизвестны точные характеристики нейтронного вещества и как оно себе ведет.
aanabar
21.03.2022 11:57+3Солнце, как и большая часть наблюдаемых звезд, относится к звездному населению I, которое сформировалось из остатков более старых звезд населения II. Считается, что в 14.5 млрд лет, прошедших с момента образования Вселенной, поместилось три поколения звезд, но первое поколение (звездное население III) состояло из очень массивных звезд и прожило всего несколько миллионов лет.
Тяжелые химические элементы были произведены в ходе обычного горения звезд и в процессах взрыва сверхновых или сброса оболочек красными гигантами. Так или иначе, заметная часть вещества старых звезд оказалась рассеяна в пространстве в виде пыли среди облаков водорода. В ходе гравитационного коллапса и образования звезд следующего поколения, часть пыли осталась в составе центральной звезды, но какая-то часть слиплась в каменные ядра будущих планет. После зажигания центральной звезды солнечный ветер сдул водород и гелий на периферию, и в итоге мы получили наблюдаемое распределение планет: ближе к Солнцу каменные шары, а дальше газовые гиганты.
nekopilot
20.03.2022 17:56Спасибо. А есть ли какие-то ограничения, чтобы тот тонкий верхний слой коры, по которому мы ходим, опустился к центру по всей Земле на 8 километров? Это же совсем немного в масштабах планеты.
Bodiagnik Автор
20.03.2022 18:07+3Не совсем понял - "опустился к центру по всей Земле на 8 километров? " Материковая кора заметно легче мантии, даже если её и затянет в мантию(что редко, но бывает), то быстро выплёвывает. Такие куски есть, например в Казахстане - интереснейшая штука - часть графита из сланцев там от давления превратилась в мелкие алмазы. Океаническая кора - более плотная при затягивании в мантию теряет воду из кристаллов некоторых минералов, ещё более плотнеет и опускается иногда до границы ядра
nekopilot
20.03.2022 18:57Да, я про разность в плотности слоев понял. Меня вот эти "пузыри" во внутренних слоях планеты интересуют, например. Их размер кажется очень большой. Если бы конфигурация в той области как-то изменилась, то могла бы земная поверхность значительно (на километры) изменить свою высоту?
ilmarinnen
21.03.2022 08:08+1Я сразу вспомнил про западносибирские траппы - их образование одна из самых жутких катастроф планеты.
Bodiagnik Автор
21.03.2022 08:48С ними вообще много интересного связано А ещё там очень красиво! В фильме Территория сцены в горах, где не видно моря, сняты на плато Путорана
Bodiagnik Автор
21.03.2022 08:44+1там нет прямой связи с подкоровыми слоями, да и скорость процессов в основной мантии сильно меньше, чем в астеносфере. У нас горы сильно выше уровня геойда получаются только при столкновениях литосферных плит. Хотя некоторое общее вспуханте коры возможно при быстром поднятии астеносферного вещества. Как, например, в районе Восточно Тихоокеанского Поднятия.
smutek_blaznu
20.03.2022 19:33Продольная волна, проходящая жидкое ядро не под прямым углом изгибается, что говорит нам о присутствии там ещё одной границы – внутреннего твёрдого ядра.
PKPbc и PKPab проходят сквозь жидкое ядро, не касаясь внутреннего твёрдого ядра и «изгибаются». То есть абстрактно факт «изгибаемости» при прохождении волны через жидкое ядро не обязательно «говорит нам о присутствии там ещё одной границы – внутреннего твёрдого ядра».
ABOMETP
21.03.2022 10:29распространение сейсмических волн конечно красиво рисовать на компьютре на шаре, однако их вполне можно и на "чемодане" изобразить и даже обосновать, гораздо интереснее с точки зрения геологии, особенно в рамках принятойй шарообразной модели, понять движение воды, приливы отливы, вращение или что там творится на Оймяконе, поломатая холодильная установка, или же глаз Сахары. с инженерной точки зрения имеем приливы-отливы, то есть изменения уровня воды и вращение чего-то, не важно чего, то есть налицо простой гидроагрегат. что современная геология может сказать про это, откуда берётся вода что бьёт из скалы?
Bodiagnik Автор
22.03.2022 06:13в подавляющем большинстве случаев вода, что бъёт из скалы берётся из дождей, которые получаются из пара, сделанного на морской поверхности в тропических зонах.
maksim_ms
22.03.2022 19:33+1Спасибо за статью!
Про эксперименты Буге вспомнилось что когда строили главное здание МГУ вынули грунта столько сколько весит все задание. для того чтобы оно не проваливалось, оно как бы плавает в грунте. Именно поэтому с секторе А минус 2 или 3 этажа.Bodiagnik Автор
22.03.2022 19:45интересная версия! про такое не слышал. Вот то, что одна из высотак строилась слегка не вертикально нам в Горном рассказывали. когда фундамент нагрузили, грунт дал расчётную просадку и здание встало вертикально!
Caraul
22.03.2022 20:49+1Только это не про МГУ - это высотка на Красных Воротах, там замораживали грунты и строили с рассчитанным наклоном, вот после разморозки высотка и выпрямилась (представляю себе бессонные ночи архитекторов). А про МГУ каких только легенд не ходит...
vilgeforce
Автор молодец, пиши еще!