1.3: Тверда Земля

ЗЕМНЕ УТВОРЕННЯ І БУДОВА

Земля утворилася приблизно 4,6 мільярда років тому з туманної хмари пилу і газу, що оточувала сонце. У міру охолодження газу утворюється більше твердих речовин. Запилений матеріал збільшився до небулярної середньої площини, де він утворював поступово більші згустки. Зрештою, утворилися тіла діаметром кілька кілометрів; вони відомі як планетезимали. Найбільші планетезимали росли швидше за все, за рахунок більш дрібних. Цей процес тривав до тих пір, поки не утворилася планета розміром з землю.

На початку свого формування земля повинна була бути повністю розплавлена. Основним джерелом тепла в той час, ймовірно, був розпад природних радіоактивних елементів. Коли земля охолоджується, різниці щільності між мінералами, що утворюють, змусили внутрішню частину диференціювати на три концентричні зони: кору, мантію та ядро. Кора тягнеться вниз від поверхні на середню глибину 35 км, де починається мантія. Мантія простягається вниз на глибину 2900 км, де починається ядро. Ядро простягається вниз до центру землі, глибиною близько 6400 км від поверхні.

Ядро становить 16 відсотків від обсягу землі і близько 31 відсотка маси. Його можна розділити на дві області: тверде внутрішнє ядро і рідке зовнішнє ядро. Внутрішнє ядро, ймовірно, в основному металеве залізо, леговане невеликою кількістю нікелю, оскільки його щільність дещо більша, ніж у чистого металевого заліза. Зовнішнє ядро схоже за складом, але, ймовірно, також містить невелику кількість більш легких елементів, таких як сірка і кисень, оскільки його щільність трохи менше, ніж у чистого металевого заліза. Наявність більш легких елементів пригнічує температуру замерзання і, ймовірно, відповідає за рідкий стан зовнішнього ядра.

Мантія є найбільшим шаром в землі, що становить близько 82 відсотків обсягу і 68 відсотків маси землі. У мантії переважають магній і багаті залізом (магічні) мінерали. Тепло від ядра землі транспортується в область земної кори шляхом масштабної конвекції в мантії. Біля вершини мантії знаходиться область частково розплавленої породи, яка називається астеносферою. Численні дрібномасштабні конвекційні потоки відбуваються тут, коли гаряча магма (тобто розплавлена гірська порода) піднімається і більш прохолодна магма опускається через відмінності в щільності.

Кора - найтонший шар в землі, що становить всього 1 відсоток маси і 2 відсотки обсягу. Щодо решти землі кора багата такими елементами, як кремній, алюміній, кальцій, натрій і калій. Матеріали земної кори дуже різноманітні, що складаються з більш ніж 2000 мінералів. Менш щільна кора плаває на мантії в двох формах: континентальна кора і океанічна кора. Океанічна кора, яка містить більше магічних мінералів, тонша і щільніша, ніж континентальна кора, яка містить мінерали, багатші кремнієм та алюмінієм. Товста континентальна кора має глибокі плавучі коріння, які допомагають підтримувати вищі височини вище. Кора містить мінеральні ресурси та викопне паливо, яке використовує людина.

ГЕОЛОГІЧНА ШКАЛА ЧАСУ

Для того щоб описати часові зв'язки між скельними утвореннями і скам'янілостями, вчені розробили відносну геологічну часову шкалу, в якій земна історія ділиться і підрозділяється на часові поділи. Три еони (фанерозой, протерозой та архейський) представляють найбільші часові поділи (вимірюються мільярдами років). Вони в свою чергу поділяються на епохи, періоди і епохи. Основні розриви в геологічному записі та у відповідному біологічному (викопному) записі вибираються як граничні лінії між різними часовими відрізками. Наприклад, крейдово-третинна межа (65 мільйонів років тому) знаменує раптове масове вимирання видів, в тому числі динозаврів. Завдяки використанню сучасних кількісних методів деякі гірські породи та органічні речовини можуть бути точно датовані за допомогою розпаду природних радіоактивних ізотопів. Тому абсолютні віки можуть бути віднесені до деяких частин геологічної шкали часу.

ТЕКТОНІКА ЛІТОСФЕРИ ТА ПЛИТ

Шар мантії над астеносферою плюс вся кора складають область, звану літосферою. Літосфера, а значить, і земна кора, не є суцільною оболонкою, а розбита на ряд плит, які самостійно «пливуть» по астеносфері, так само, як пліт на океані. Ці пластини знаходяться в постійному русі, зазвичай рухаючись на кілька сантиметрів на рік, і приводяться в рух конвекцією в мантії. Наукова теорія, яка описує це явище, називається тектонікою плит. Згідно з теорією тектоніки плит, літосфера складається з семи основних плит і декількох менших. Оскільки ці пластини знаходяться в постійному русі, взаємодії відбуваються там, де зустрічаються межі плит.

Конвергентна (стикається) межа пластини виникає при зіткненні двох пластин. Якщо конвергентна межа включає дві континентальні плити, кора стискається у високі гірські хребти, такі як Гімалаї. При зіткненні океанічної плити і континентальної плити океанічна кора (оскільки вона більш щільна) підпорядковується під континентальною корою. Регіон, де відбувається субдукція, називається зоною субдукції і зазвичай призводить до глибокого океанічного жолоба, такого як «Маріанська западина» у західній частині Тихого океану. Піднята кора плавиться, і результуюча магма може піднятися на поверхню і утворювати вулкан. Розбіжна межа пластини виникає, коли дві пластини відходять один від одного. Магма апвелінг з області мантії витісняється через утворилися тріщини, утворюючи нову кірку. Серединно-океанічний хребет в Атлантичному океані - це регіон, де новий матеріал земної кори постійно утворюється, коли пластини розходяться. Вулкани також можуть виникати на розбіжних межах. Острів Ісландія - приклад такого явища. Третім типом кордону пластин є межа перетворення. Це відбувається, коли дві пластини ковзають одна за одною. Ця взаємодія може нарощувати деформацію в сусідніх районах земної кори, що призводить до землетрусів при вивільненні штаму. Розлом Сан-Андреас в Каліфорнії є прикладом кордону пластини перетворення.

ГЕОЛОГІЧНІ ПОРУШЕННЯ

ВУЛКАНИ

Діючий вулкан виникає, коли магма (розплавлена порода) досягає земної поверхні через тріщину або вентиляційний отвір в корі. Вулканічна активність може включати видавлювання лави на поверхню, викид твердих порід і попелу, а також виділення водяної пари або газу (вуглекислого газу або діоксиду сірки). Вулкани зазвичай виникають поблизу кордонів плит, де рух плит створив тріщини в літосфері, через які може протікати магма. Близько вісімдесяти відсотків вулканів виникають на збіжних кордонів плит, де субдукційний матеріал плавиться і піднімається крізь тріщини в корі. Каскадний хребет утворився саме таким чином.

Вулкани можна класифікувати за типом і формою їх викидів. Основними типами є: композитні вулкани, щитові вулкани, шлакові конуси та лавові куполи. Композитні вулкани являють собою круті, симетричні конуси, побудовані з безлічі шарів в'язкої лави і попелу. Більшість композитних вулканів мають кратер на вершині, який містить центральний вентиляційний отвір. Лави течуть від розривів в стінці кратера або з тріщин на боках конуса. Гора Фудзі в Японії та гора Раньє у Вашингтоні є прикладами композитних вулканів.

Щитові вулкани побудовані майже повністю з високотекучих (низької в'язкості) лавових потоків. Вони повільно утворюються з численних потоків, які поширюються на широку площу від центрального вентиляційного отвору. Отримана конструкція являє собою широкий, пологий конус з профілем, схожим на щит воїна. Гора Кілауеа на Гаваях є прикладом щитового вулкана.

Шлакові конуси - найпростіший вид вулкана. Вони утворюються, коли лава бурхливо видувається в область розбивається на дрібні фрагменти, які тверднуть і падають як шлаки. Навколо вентиляційного отвору утворюється крутобічна форма конуса, на вершині кратера. Кратер заходу сонця в Арізоні - це шлаковий конус, який утворився менше тисячі років тому, порушуючи життя корінних жителів регіону.

Лавові куполи утворюються, коли високов'язка лава видавлюється з вентиляційного отвору і утворює округлий крутий купол. Лава накопичується навколо і на вентиляційному отворі замість того, щоб стікати, в основному зростає шляхом розширення зсередини. Купола лави зазвичай зустрічаються в кратерах або на флангах композитних вулканів.

ЗЕМЛЕТРУСИ

Землетрус відбувається, коли накопичений деформації в гірській масі призводить до його раптового розриву. Область, де відбувається розрив, називається вогнищем. Це часто глибоко нижче поверхні скоринки. Точка на поверхні безпосередньо над вогнищем називається епіцентром. Руйнівні хвилі поширюються назовні з області землетрусу, подорожуючи по всій землі. Величина землетрусу - це міра загальної кількості виділеної енергії. Першим кроком у визначенні величини є вимірювання розповсюджуваних хвиль за допомогою пристрою, званого сейсмографом. На підставі цих відомостей землетрусу дається класифікація чисел за модифікованою шкалою Ріхтера. Шкала логарифмічна, тому різниця в одну одиницю означає різницю в десять разів за інтенсивністю хвиль, що відповідає різниці енергій в 32 рази. Інтенсивність землетрусу є показником впливу землетрусу в певній місцевості. Ефект залежить не тільки від величини землетрусу, але і видів підземних матеріалів і структури і конструкції поверхневих конструкцій.

Землетруси, як правило, відбуваються вздовж розривів у гірській масиві, відомої як розломи, і більшість трапляються в регіонах поблизу кордонів плит. Близько 80 відсотків усіх землетрусів відбуваються поблизу сходяться кордонів плит, викликаних взаємодією плит. Землетруси також часто пов'язані з вулканічною активністю через рух підповерхневої магми. Коли землетрус відбувається під океаном, він може викликати руйнівну приливну хвилю, відому як цунамі.

СКЕЛІ ТА ЦИКЛ СКЕЛЬ

Земна кора складається з безлічі видів гірських порід, кожна з яких складається з одного або декількох мінералів. Гірські породи можна класифікувати на три основні групи: магматичні, осадові та метаморфічні. Магматичні породи є найпоширенішим типом гірських порід, що зустрічаються в земній корі. Вони утворюються, коли магма охолоджується і кристалізується під поверхнею (нав'язливі магматичні породи) або лава охолоджується і кристалізується на поверхні (екструзійні магматичні породи). Граніт є прикладом нав'язливої магматичної породи, тоді як базальт - екструзійна магматична порода.

Осадові породи утворюються шляхом ущільнення вивітрених фрагментів раніше існуючих порід, випаданням мінералів з розчину або ущільненням залишків живих організмів. Процеси, що включають вивітрювані фрагменти гірських порід, включають ерозію та транспортування вітром, водою або льодом з подальшим осадженням у вигляді відкладень. У міру накопичення опадів з часом ті, що знаходяться на дні, ущільнюються. Вони цементуються мінералами, що випадають в осад з розчину і стають гірськими породами.

Процес ущільнення і цементації відомий як літіфікація. Деякі поширені види осадових порід - вапняк, сланець та пісковик. Гіпс являє собою осадові породи, що випадають з розчину. Викопні види палива, такі як вугілля та нафтові сланці, - це осадові породи, утворені з органічної речовини.

Метаморфічні породи утворюються при зміні твердих магматичних, осадових або метаморфічних порід у відповідь на підвищену температуру і тиск і/або хімічно активні рідини. Ця зміна, як правило, відбувається надр. Це може включати в себе зміну текстури (перекристалізація), зміна мінералогії або обох. Мармур - метаморфозована форма вапняку, в той час як сланець перетворюється на сланець. Антрацит - метаморфічна форма вугілля.

Скельний цикл ілюструє зв'язки між внутрішніми та зовнішніми процесами землі та те, як три основні гірські групи пов'язані один з одним. Внутрішні процеси включають плавлення і метаморфізм внаслідок підвищеної температури і тиску. Конвективні течії в мантії утримують кору в постійному русі (тектоніка плит). Заглиблені породи виводяться на поверхню (підйом), а поверхневі породи і опади транспортуються в область верхньої мантії (субдукція).

Двома важливими зовнішніми процесами в скельному циклі є вивітрювання та ерозія. Вивітрювання - це процес, за допомогою якого гірські матеріали розбиваються на менші шматки та/або хімічно змінюються. Після того, як гірські матеріали розбиваються на менші шматки, їх можна транспортувати в іншому місці в процесі, який називається ерозією. Основним транспортним засобом ерозії є рухома вода, але вітер і льодовики також можуть розмивати гірські породи.

ГРУНТОУТВОРЕННЯ

Грунт є одним з найцінніших і делікатних ресурсів землі. Його формування передбачає вивітрювання вихідних матеріалів (наприклад, гірських порід) і біологічну активність. Ґрунт має чотири основні компоненти: воду, ерозіровану неорганічну вихідну речовину, повітря та органічну речовину (наприклад, живі та гниючі організми).

Формування грунту починається з неконсолідованих матеріалів, які є продуктами вивітрювання. Ці матеріали можуть транспортуватися до місця утворення ґрунту за допомогою таких процесів, як вітер або вода, або можуть бути наслідком вивітрювання підстилаючої породи. Процес вивітрювання передбачає розпад і розкладання породи. Він може бути фізичним (наприклад, вода просочується в тріщини гірських порід, а потім замерзає) або хімічним (наприклад, розчинення мінералів кислотними дощами). Фізичні процеси більш поширені в холодному і сухому кліматі, тоді як хімічні процеси більш поширені в теплому або вологому кліматі.

Грунтові матеріали мають тенденцію рухатися вертикально в пластовому середовищі. Органічні матеріали (наприклад, листова підстилка) та відкладення можуть бути додані, тоді як інші матеріали (наприклад, мінерали) можуть бути втрачені через ерозію та вилуговування. Живі організми (наприклад, бактерії, гриби, глисти та комахи) також входять до складу ґрунту, що розвивається.

Живий компонент ґрунту розщеплює інші органічні матеріали, щоб вивільнити їх поживні речовини (наприклад, азот, калій та фосфор). Потім поживні речовини використовуються та переробляються зростаючими рослинами та іншими організмами. Така переробка поживних речовин допомагає створити та підтримувати життєздатний грунт.

На ґрунтоутворення впливають кілька факторів, зокрема: клімат, материнський матеріал, біологічні організми, рельєф та час. Клімат місцевості (опади і температура) може бути найважливішим фактором формування ґрунту. Температура впливає на швидкість хімічних реакцій, а кількість опадів впливає на рН грунту і вилуговування. Батьківський матеріал або корінна порода варіюється від регіону до регіону і може впливати на текстуру та рН ґрунтів. Тип рослинності впливає на швидкість переробки поживних речовин у ґрунті, тип та кількість органічних речовин у ґрунті, ерозію ґрунту, типи та кількість мікроорганізмів, що мешкають у ґрунті.

Людина також може надавати глибокий вплив на ґрунти завдяки таким заходам, як оранка, зрошення та видобуток корисних копалин. Топографія регіону впливає на стік опадів, ерозію та споживання сонячної енергії. Формування грунту - процес безперервний. Ґрунти змінюються з часом, оскільки змінюються такі фактори, як введення органічної речовини та вміст мінеральних речовин. Процес виготовлення грунту, придатного для використання людиною, може зайняти десятки тисяч років. На жаль, руйнування цього ґрунту може відбутися за кілька коротких поколінь.