Литосфера Земли
Человек так давно стал «царем зверей», что иногда с трудом осознает, насколько малы подвластные ему величины. Ни один небоскреб не в состоянии сравниться с горой, а скважина — с океанской впадиной. Человеку кажется, что мир вокруг огромен, — а земная кора, на которой этот мир покоится, составляет всего лишь около 1% от радиуса земного шара.
Строение нашей планеты
Земля, которую мы знаем сегодня, — это не однородный шар. Стоит хоть немного задуматься, это становится очевидным. Ведь люди бурят скважины, добывают подземную воду и нефть, разрабатывают месторождения руд и алмазов — значит, под твёрдой поверхностью скрыты самые разные вещества и породы. Но что именно таят в себе недра?
Внутреннее строение Земли: 1 — внутреннее ядро, 2 — внешнее ядро, 3 — нижняя мантия, 4 — верхняя мантия, 5 — кора, 6 — атмосфера. Литосфера включает земную кору и самую верхнюю, жёсткую часть мантии
Согласно последним научным исследованиям, в центре планеты находится ядро, состоящее в основном из металлов — железа и никеля. Внешний слой жидкого ядра состоит по большей части из железа. Выше расположена мантия (нижняя и верхняя), и все это покрыто относительно тонким слоем твердой и хрупкой коры, материковой и океанической. Литосфера включает земную кору и самую верхнюю, механически жёсткую часть мантии.
«Люби землю. Она не унаследована тобой у твоих родителей, она одолжена тобой у твоих детей» (индейская поговорка)
Литосферные плиты состоят из твёрдых пород и перемещаются по более горячей и пластичной астеносфере — части верхней мантии, которая остаётся в основном твёрдой, но способна очень медленно деформироваться. Движение плит связано с совокупностью процессов в мантии и силами, возникающими у срединно-океанических хребтов и зон субдукции.
Магма может образовываться при частичном плавлении пород мантии или земной коры; поднимаясь к поверхности, она питает вулканические извержения. Магматические и гидротермальные процессы участвуют в формировании многих месторождений полезных ископаемых. Алмазы действительно кристаллизуются из углерода при очень высоких давлениях в мантии, однако распространённое представление, будто природные алмазы образуются из погружённого глубоко под землю каменного угля, неверно.
КРУПНЕЙШИЕ ТЕКТОНИЧЕСКИЕ ПЛИТЫ:
- Тихоокеанская — 103,3 млн км2
- Северо-Американская — 75,9 млн км2
- Евразийская — 67,8 млн. км2
Как мы узнаем, что внутри Земли?
Вы спросите, откуда нам все это известно? Ведь толщина земной коры составляет максимум 60-70 километров, а человеку пока не удалось проникнуть сколько-нибудь глубоко внутрь Земли: самая глубокая скважина, пробуренная с научными целями, едва преодолела отметку 12 километров. На это ученые ответят, что давно существует прибор, позволяющий изучать внутреннее строение Земли, — сейсмограф.
Сейсмограф — специальный измерительный прибор, применяемый для обнаружения и регистрации всех типов сейсмических волн. Как правило, представляет собой неподвижный груз и подвижные корпус и опору, которые смещаются при сотрясении земной коры, передавая вибрацию на пишущее перо
Сейсмические волны — это волны энергии, перемещающиеся в упругих телах. Их источником могут быть, например, землетрясения или взрывы. Скорость и направление распространения этих волн зависят от плотности и упругости среды, сквозь которую они проходят. Если волна проходит через границу двух сред, то происходит преломление волны, по характеру которого можно судить о свойствах этих сред. Измеряя скорость сейсмических волн, ученые получают данные о плотности слоев Земли и могут делать выводы об их составе.
И раньше сейсмографы, размещенные на расстоянии друг от друга в подвижных, а значит, опасных зонах земной коры, позволяли ученым довольно точно определять источник колебаний, сужая район бедствия, где предстояло работать спасателям. А с приходом компьютерных технологий и аналого-цифровых преобразователей точность и продуктивность работы приборов повысилась в разы, что стало причиной качественного скачка в сейсмологии.
Столкновение литосферных плит
В 1912 году немецкий ученый Альфред Вегенер предложил теорию дрейфа материков. Ее ждала непростая судьба, от полного отрицания до постепенного принятия и прочного становления. Сегодня тектоника плит является общепринятой научной теорией, объясняющей крупномасштабное строение и развитие земной коры и верхней мантии.
Новая океаническая литосфера формируется в районах срединно-океанических хребтов, где плиты расходятся и из мантии поступает расплав. В зонах субдукции более плотная океаническая плита погружается под соседнюю и возвращает вещество в мантию. На других границах плиты сталкиваются без субдукции или скользят вдоль разломов. Именно эта система образования, перемещения и переработки литосферы лежит в основе тектоники плит.
Большинство сильных землетрясений и многие вулканы действительно приурочены к границам литосферных плит, но характер процессов зависит от типа границы. При субдукции могут формироваться глубоководные желоба и вулканические дуги, при столкновении континентов — крупные горные системы, а при скольжении плит вдоль трансформных разломов особенно характерны землетрясения. Анды и Перуано-Чилийский желоб связаны с субдукцией плиты Наска под Южноамериканскую плиту.
Литосфера Земли представляет собой мозаику из постоянно движущихся плит. Скорости их перемещения различаются: от менее 1 см до более 10 см в год в зависимости от плиты и участка её границы.
Но медленное «дыхание» планеты можно увидеть и на более наглядных примерах. В Италии, на берегу Неаполитанского залива расположен небольшой город Поццуоли. Среди древних городских развалин там есть небольшой храм, построенный почти две тысячи лет назад. К XIII веку и сам храм, и городская площадь, образовавшаяся вокруг него... опустились ниже уровня моря. И произошло это не сразу, во время землетрясения, а постепенно, год за годом. Почти три века эти постройки находились в воде, потом суша снова начала подниматься. К 1800 году остатки зданий снова стояли на земле. Море оставило нам наглядное доказательство: сейчас можно увидеть, что мраморные колонны храма изъедены морскими камнеточцами на высоте 5,71 метра от основания.
Поццуоли находится внутри кальдеры Флегрейских полей. Медленные поднятия и опускания земной поверхности здесь называют брадисейсмом; именно они объясняют следы многократного погружения и подъёма древних сооружений в районе Поццуоли.
Вулканы
Самыми явными, красочными — и в то же время самыми опасными доказательствами активной внутренней жизни Земли являются, пожалуй, вулканы.
Это геологические образования в месте выхода на поверхность магмы, которая превращается в лаву, вулканические газы и камни. Свое название огнедышащие горы получили по имени бога-кузнеца Вулкана из древнеримской мифологии.
Охос-дель-Саладо на границе Аргентины и Чили — высочайший действующий вулкан Земли, его высота составляет около 6893 м
Хотя почему только горы? Да, большинство вулканов — образования так называемого центрального типа, классический конус, сформированный застывшими потоками лавы и пепла, с жерлом и центральным кратером, откуда изливается магма. Таковы, например, Эльбрус, Везувий, Этна и Фудзияма.
Однако довольно распространенным является и трещинный тип вулкана. Это длинные разломы земной коры, лава во время извержений растекается и застывает вдоль них огромными полями. Древние трещинные вулканы были найдены на нагорьях Эфиопии. Действующие современные находятся в основном на острове Исландия. Самый знаменитый из них — Лаки, длиной 25 километров, — в 1783 году едва не убил на острове все живое: из-за многочисленных извержений Исландию накрыло плотным облаком удушающего вулканического пепла, не пропускавшего солнечные лучи.
Самые активные действующие вулканы находятся на границах литосферных плит, по линиям глубинных разломов коры. Таково, например, Тихоокеанское огненное кольцо, в которое входят вулканы Камчатки, Японии, Филиппинских островов, Индонезии, Мексики, Алеутских островов, Южной Америки и Огненной Земли.
Древнеримский бог Вулкан
При мощных извержениях вулканический пепел может подниматься на высоты, где он опасен для авиации. Это наглядно показало извержение исландского вулкана Эйяфьятлайокудль в 2010 году, из-за которого на несколько дней были серьёзно нарушены авиаперевозки в Европе. Крупные извержения способны также временно влиять на климат.
Соседство с вулканами может быть крайне опасным. Катастрофическое извержение Кракатау в Зондском проливе между Явой и Суматрой в августе 1883 года сопровождалось мощными взрывами и обрушением значительной части вулканического острова в кальдеру. Возникшие цунами обрушились на побережья Явы и Суматры; в результате извержения и прежде всего цунами погибли более 36 тысяч человек. После катастрофы от прежнего острова осталась главным образом часть конуса Раката, а в XX веке внутри кальдеры вырос новый вулкан Анак-Кракатау.
А кому не знакомы, хотя бы на слух, такие названия, как Везувий и Помпеи? Извержение Везувия произошло почти две тысячи лет назад, в 79 году, обрушившийся пепел полностью засыпал римские города Помпеи, Геркуланум и Стабии, которые были найдены археологами только многие столетия спустя.
Магма — расплавленная жидкая смесь в недрах земной коры или верхней мантии. Излившаяся на поверхность магма называется лавой
Соседство с вулканами несёт риск, но вулканические районы дают людям и важные ресурсы. В Исландии широко используется геотермальная энергия для отопления зданий и нагрева воды. В вулканических областях распространены горячие и минеральные источники; их свойства изучает в том числе бальнеология. При этом лечебные эффекты конкретных процедур зависят от состава воды и состояния человека и не должны считаться универсальными.
Однородна ли земля?
В древности на этот вопрос сразу и без всяких сомнений ответили бы «да». Современный человек так же однозначно скажет «нет» — и будет абсолютно прав. Один процент земного радиуса, доставшийся на долю земной коры, очень разнообразен по составу, и в этом счастье для человечества. Представьте себе жизнь на голых гранитных и базальтовых скалах! А на деле земные недра являются источником самых разных полезных ископаемых, без которых развитие цивилизации было бы просто невозможно.
Нефть, газ, руды, уголь, строительные материалы — вы можете представить мир без них? Но, по геологическим меркам, мы добываем нефть совсем недавно, а минералы служили человеку с момента его появления на планете.
В каменном веке, задолго до появления металлургии, люди использовали глину и камень для построек и орудий, из минеральных пигментов готовили краски, а из кремня делали скребки, ножи и наконечники.
«Грандиозные вещи делаются грандиозными средствами. Одна природа делает великое даром» (А. Герцен)
Бронзовый век связан с широким распространением металлургии меди и её сплавов. Наиболее известная бронза — сплав меди с оловом; существовали и другие составы с добавками свинца, мышьяка и иных элементов. По-прежнему большое значение имела добыча камня для строительства, свидетельством чему служат, например, пирамиды Древнего Египта.
В железном веке человек научился добывать и обрабатывать железные руды. Надо ли говорить, что это породило очередной скачок в развитии цивилизации?
Чем же еще питает нас Земля?
Важность полезных ископаемых
Если полезные ископаемые сосредоточены в одном месте в большом количестве, то возможна их добыча в промышленных масштабах. Например, таковы Донбасс и Кузбасс — огромные угольные месторождения Донецкого и Кузнецкого бассейнов.
Энергетике необходимо горючее, поэтому столь важна добыча нефти, природного газа, торфа и угля. Это стратегическое сырье для каждой страны. Богатейшие месторождения энергоносителей находятся в Саудовской Аравии, Кувейте, России, Азербайджане, Канаде, США и Мексике.
Огромное значение имеет и разработка рудных месторождений. Современные технологии требуют руд не только черных металлов, таких как железо, титан, марганец, хром, но и благородных — золота, серебра и платины, ведь ювелирная промышленность отнюдь не единственное их применение.
В Мурманской области (Россия) находится Кольская сверхглубокая скважина глубиной 12 262 м — рекордное вертикальное проникновение в земную кору. Бурение было начато в 1970 г. с научной целью: дойти до базальтового слоя и добыть образцы для изучения. Но за двадцать с лишним лет так и не удалось выйти за пределы гранитного слоя, и в 1994 г. бурение было остановлено
Одним из важнейших природных ресурсов Земли является вода. Как известно из биологии, она — источник всего живого на планете. Но это еще и источник энергии. А еще без воды, переносящей частицы различных минералов, было бы невозможно образование столь разнообразных руд.
Без безопасной пресной воды невозможны здоровье людей, сельское хозяйство и работа многих отраслей экономики. Дефицит воды и её загрязнение остаются серьёзными проблемами во многих регионах мира. Загрязняющие вещества могут переноситься реками, подземными водами и морскими течениями, поэтому охрана водных ресурсов требует контроля на уровне целых бассейнов и государств.
Запасы многих невозобновляемых полезных ископаемых конечны, а их добыча и использование создают экологические и экономические риски. Поэтому важны более рациональное потребление ресурсов, переработка материалов и развитие альтернативных источников энергии.
Если всерьез подойти к этому вопросу, шансы у нас есть. Кроме тех полезных ископаемых, которые мы просто забираем у природы, существуют так называемые возобновляемые ресурсы. Это природные ресурсы, которые или не зависят от того, используем мы их или нет, или восстанавливаются быстрее, чем человек их потребляет.
К возобновляемым источникам энергии относят солнечную, ветровую, гидроэнергию, энергию приливов и волн, геотермальную энергию и биомассу. Энергию можно получать и за счёт разности температур между тёплыми поверхностными и холодными глубинными слоями океана. Развитие таких технологий вместе с энергосбережением помогает снижать зависимость от ископаемого топлива и воздействие энергетики на окружающую среду.
«Земля, природы мать, — ее же и могила: Что породила, то и схоронила» (У. Шекспир)
Использование ядерной энергии остаётся предметом общественных и экономических дискуссий. Современные атомные электростанции получают энергию за счёт управляемого деления тяжёлых ядер; термоядерный синтез относится к другой технологии и пока остаётся в основном экспериментальным направлением. АЭС дают много энергии при низких прямых выбросах углекислого газа, но требуют строгих систем безопасности и долговременного обращения с радиоактивными отходами. Аварии на Чернобыльской АЭС и АЭС «Фукусима-1» показали возможные последствия тяжёлых аварий, поэтому разные страны по-разному оценивают место атомной энергетики в своём энергобалансе.
Но не расстраивайтесь. Во-первых, ученые постоянно работают над топливным вопросом, а во-вторых, каждый из нас может помочь восстановлению природы и ее ресурсов. Как? Например, посадить дерево.