Загальна геохімічна характеристика планети Земля та її геосфер :

1. ОСНОВИ ГЕОХІМІЇС.Є.Шнюков Лекція 10 Загальна геохімічнахарактеристика планети Земля та її геосфер: Загальна будова і склад Землі та планет земної групи

2. Таким чином, ми зробили короткий огляд всіх складових Сонячної системи: 1) Земля та планети земної групи2) зовнішні планети2) астероїди 3) малі тіла пояса Койпера 4) комети 5) метеорні тіла6) міжпланетний (космічний) пил7) сонячний вітерПідкреслені складові детально розглядаються у подальших лекціях

3. Планети Сонячної системи: планети земної групи Планети земної групи • Всі планети Сонячної системи поділяються на дві групи: • Планети земної групи − Меркурій, Венера, Земля, Марс. Супутники є тільки у Землі (Луна) та Марса (Фобос, Деймос). • Планети-гіганти − Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун. Мають системи численних супутиників. Юпитер, Сатурн та Уран також мають кільця, які утворені гігантською кількістю малих тіл. • Дані щодо Плутону зараз обмежені. Можливо він наближується за складом до планет земної групи. Особливе положення займає Луна. Формально вона − супутник Землі, однак відношення її маси до маси Землі досить велике (1/81). Це дає підстави вважати систему Земля - Луна подвійною планетою. Подвійною планетою є й Плутон − його супутник Харон тільки в 2,5 раза меньший за розміром.

4. Планети Сонячної системи: Земля Земля • Всі планети Сонячної системи поділяються на дві групи: • Планети земної групи − Меркурій, Венера, Земля, Марс. Супутники є тільки у Землі (Луна) та Марса (Фобос, Деймос). • Планети-гіганти − Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун. Мають системи численних супутиників. Юпитер, Сатурн та Уран також мають кільця, які утворені гігантською кількістю малих тіл. • Дані щодо Плутону зараз обмежені. Можливо він наближується за складом до планет земної групи. Особливе положення займає Луна. Формально вона − супутник Землі, однак відношення її маси до маси Землі досить велике (1/81). Це дає підстави вважати систему Земля - Луна подвійною планетою. Подвійною планетою є й Плутон − його супутник Харон тільки в 2,5 раза меньший за розміром.

5. Планети Сонячної системи: Различия П.-гигантов и П. земной группы: П.-гиганты значительно больше по размерам и массе, меньше по плотности, быстрее вращаются. 98% суммарной массы П. Солнечной системы. Тепловой поток из недр Юпитера и Сатурна примерно равен по величине потоку, получаемому ими от Солнца. Тепловой поток из недр Земли пренебрежимо мал по сравнению с поступающим от Солнца. Это верно и для др. П. земной группы.

6. Земля Земля – движется вокруг Солнца по близкой к круговой орбите, радиус которой – 149,6 млн. км = 1 астрономической единице. Период обращения по орбите (1 год) =365,256 земных суток. Средняя скорость движения по орбите – 29,8 км/с. Период вращения вокруг оси – звездные сутки – 23h56m4,099s. Наклон земного экватора к орбите составляет 23°27' и обеспечивает смену времен года. Масса Земли равна М  = 5,974∙1024 кг, средняя плотность 5,515 г/см3. Экваториальный радиус планеты составляет R  = 6 378 км. Земля имеет грушевидную форму, называемую геоидом. Сжатие составляет 0,0034 (полярный радиус равен R  = 6 356 км). Сплюснутость Земли с полюсов объясняется вращением. Ускорение свободного падения на поверхности составляет, в среднем, g  = 9,78 м/с2: у полюсов больше, на экваторе меньше.

7. Земля: гравітаційне поле По данным о небольших изменениях расстояния между двумя идентичными орбитальными спутниками GRACE (Gravity Recovery and Climate) была построена точная карта гравитационного поля Земли. Красным цветом на карте отмечены участки с повышенной гравитацией, а голубым - с пониженной.

8. Головні особливості Землі як планети:1. Висока диференціація речовини та складна внутрішня будоваВідношення щільностей Кора/Земля=2,8/5,5

9. Головні особливості Землі як планети: 1. Висока диференціація речовини та складна внутрішня будоваПоліморфізм головних фаз земної речовини, зміна складу: Si, K, Na – Fe,Mg

10. Головні особливості Землі як планети: 2. Наявність магнітного поля (зумовлене існуванням рідкого зовнішнього ядра) Схоже на поле одноріднох намагниченої сфери з магнитною віссю, яка нахилена на 11,5° до вісі обертання Землі. Тому магнітні полюси не співпадають з географічними. За даними палеомагнітних досліджень положення магнітних полюсів неодноразово змінювалось. Силові лінії магнітного поля Землі деформовані сонячним вітром таутворюють «пастки» для його часток - радіаційні пояси (пояс Ван-Аллена) Магнітні бурі зумовлюютьсяхромосферними спалахами на Сонці. Заряджені частки можуть проникати в атмосферу та збуджувати її атоми. Це зумовлює явище, яке зветься полярним сяйвом.

11. Головні особливості Землі як планети: 3. Висока сучасна ендогенна активність Типовим та дуже масштабним проявом є тектоніка літосферних плит, яка призвела та призводить до принципових змін земної поверхні. Це наочна ілюстрація функціонування геохімічної системи мантія-кора – тобто процесу диференціації Землі Зони спредингу Зони субдукції Острівні дуги Океанічні острови Мантійна конвекція

12. Головні особливості Землі як планети: 3. Висока сучасна ендогенна активність Зони спредингу Зони субдукції та острівні дуги

13. Головні особливості Землі як планети: 3. Висока сучасна ендогенна активність Серединно-атлантичний хребет – типова зона средингу. На острові Ісландія цей процес можна спостерігати на суші.

14. Головні особливості Землі як планети: 3. Висока сучасна ендогенна активність Наслідок постійного руху Тихоокеанської літосферної плити – ланцюг відносно невеликих вулканів Гавайських островів («гаряча пляма» займала фіксоване положення). Для порівняння – величезний (27 км) вулкан Олімп на Марсі. Він формувався в умовах стабільного стану кори (відсутність руху літосферних плит

15. Головні особливості Землі як планети: 4. Наявність потужної атмосфери Основные составляющие атмосферы Земли – азот и кислород. Остальные газы: водяной пар, углекислота, неон, метан, водород и другие – составляют около 1 %. Давление атмосферы на уровне моря – 1 атм = 101325 Па = 760 мм рт. ст.

16. Головні особливості Землі як планети: 4. Наявність потужної атмосфери Поглощение электро-магнитного излучения атмосферой. Земная атмосфера не пропускает жесткое коротковолновое излучение. Одним из важнейших газов, поглощающих ультрафиолетовые лучи, является озон. Из-за ухудшения экологической обстановки, прежде всего, из-за выброса в атмосферу фреона и других активных веществ, его количество резко уменьшилось, над Антарктидой и некоторыми другими районами Земли образовались озоновые дыры. Справедливости ради заметим, что существует другое мнение, заключающееся в том, что озоновые дыры – одно из проявлений солнечной активности.

17. Головні особливості Землі як планети: 5. Наявність гідросфери Жидкая оболочка Земли, которая занимает 361 млн. км2 или 70,8 % поверхности Земли, называется гидросферой. В океанах Земли сосредоточено 97 % всех запасов воды (около 1021 кг). Часть воды находится в виде льда и снега в полярных шапках, а также в атмосфере. Средняя глубина Мирового океана – 3 900 м, максимальная глубина – 11 000 м (Марианский желоб в Тихом океане).

18. Середній хімічний склад Землі: головні компоненти Тверда Земля Гідросфера 15,2% Si Атмосфера Сумарна частка гідросфери та атмосфери у масі Землі не перевищує 0,025 wt%. Тому за середній склад Землі приймаємо оцінку, яку одержано для її «твердої частини». Неузгодженість різних джерел не є суттєвою.

19. Земля: розповсюдженість хімічних елементів у верхній частині континентальної кори log(число атомом на 106 атомов Si)

20. Сонце: розповсюдженість хімічних елементів (число атомом на 106 атомов Si) H, He C, O, Mg, Si Fe Zr Ba Pt, Pb Li Встановлено максімуми H, He та закономірне зниження розповсюдженості з зростанням Z. Важливим є значне відхилення соняшної розповсюдженості від даних для Землі (Si, O !!!) та дуже добра узгодженість з даними, які одержані для метеоритів (хондритів).

21. Земля: Разница атомной распространенности элементов в верхней части континентальной коры ( nEC ) и CI-хондритах ( nCI )

22. Луна Луна Луна – единственный спутник Земли. Она вращается вокруг Земли по орбите, большая полуось которой равна 383 398 км. Плоскость лунной орбиты наклонена к плоскости эклиптики под углом 5°09´. Период обращения равен 27 сут 7 час 43 мин. Поскольку время одного оборота Луны вокруг Земли в точности равно времени одного оборота ее вокруг оси, Луна постоянно повернута к Земле одной и той же стороной. Луна – самый яркий объект на небе после Солнца. Наиболее исследована (после Земли)

23. Планети Сонячної системи: Различия П.-гигантов и П. земной группы: П.-гиганты значительно больше по размерам и массе, меньше по плотности, быстрее вращаются. 98% суммарной массы П. Солнечной системы. Тепловой поток из недр Юпитера и Сатурна примерно равен по величине потоку, получаемому ими от Солнца. Тепловой поток из недр Земли пренебрежимо мал по сравнению с поступающим от Солнца. Это верно и для др. П. земной группы.

24. Головні особливості Місяця: • Масса спутника Земли составляет 7,3476∙1022 кг (в 81,3 раз меньше массы Земли), средняя плотность ρ = 3,35 г/см3, экваториальный радиус – 1 737 км. Сжатие с полюсов практически отсутствует. • Ускорение свободного падения g = 1,63 м/с2. • Плотность Луны сравнима с плотностью земной мантии. Поэтому у Луны либо нет, либо очень незначительное железное ядро. • Мощность: • Коры: 60–100 км. • Верхней мантии: 400 км. • Средней мантии: 600 км. • Нижней мантии: 400 км. • Ядро Луны: с глубины 1500 км. Оно почти не содержит железа. Поэтому Луна имеет очень слабое магнитное поле (<0,0001 земного). • Итак: • Слабо дифференцирована • Нет магнитного поля • Современная эндог. активность слаба • Нет атмосферы и гидросферы

25. Середній хімічний склад Місяця: головні компоненти Тверда Земля Місяць http://www.meteorites.ru/menu/moon/ МАТЕРИКОВЫЕ ПОРОДЫ - по минеральному составу лунные материковые породы относятся к породам анортозит-норит-троктолит-габбровой серии. ИМПАКТИТЫ - представлены брекчиями, ударными расплавами и гранулитами. Они являются продуктами преобразования (дробления, смешения, плавления, перекристаллизации) первичных изверженных пород в ходе интенсивной метеоритной бомбардировки Луны около 4 млрд. лет назад МОРСКИЕ ПОРОДЫ - образуют тонкие покровы во впадинах лунных морей и составляют около 1% лунной коры. Это эффузивные магматические породы, состоящие в основном из клинопироксена и плагиоклаза и относящиеся к группе габбро-базальта. Излияния морских базальтов на поверхность Луны происходили менее 4 млрд. назад после окончания тяжелой бомбардировки. Морские базальты разделяются в основном по содержанию титана и алюминия: 1. Базальты с высоким содержанием титана (TiO2 >8 вес.%). Это породы, собранные экспедициями «Аполлон 11 и 17» 2. Базальты с низким содержанием титана и бедные алюминием (TiO2 2-6 вес.%, Al2O3 < 12 вес.%). Эта группа объединяет породы экспедиций «Аполлона 12 и 15». 3. Базальты с низким содержанием титана, богатые алюминием (TiO2 3-6 вес.%, Al2O3 12-15 вес.%). К этому типу относятся базальты, доставленные «Луной-16» 4.Базальты с очень низкими содержаниями титана (TiO2 <1 вес.%), опробованные в основном «Луной-24».

26. Середній хімічний склад Місяця: головні компоненти Місяць Тверда Земля Місяць приблизно = складу Земної Мантії. Особливості: Низькі концентрації летких елементів Низька окисленість Fe Eu2+/(Eu2++Eu3+) = 0,7 15,2% Si

27. Планети Сонячної системи: планети земної групи Планети земної групи • Всі планети Сонячної системи поділяються на дві групи: • Планети земної групи − Меркурій, Венера, Земля, Марс. Супутники є тільки у Землі (Луна) та Марса (Фобос, Деймос). • Планети-гіганти − Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун. Мають системи численних супутиників. Юпитер, Сатурн та Уран також мають кільця, які утворені гігантською кількістю малих тіл. • Дані щодо Плутону зараз обмежені. Можливо він наближується за складом до планет земної групи. Особливе положення займає Луна. Формально вона − супутник Землі, однак відношення її маси до маси Землі досить велике (1/81). Це дає підстави вважати систему Земля - Луна подвійною планетою. Подвійною планетою є й Плутон − його супутник Харон тільки в 2,5 раза меньший за розміром.

28. Планети Сонячної системи: Различия П.-гигантов и П. земной группы: П.-гиганты значительно больше по размерам и массе, меньше по плотности, быстрее вращаются. 98% суммарной массы П. Солнечной системы. Тепловой поток из недр Юпитера и Сатурна примерно равен по величине потоку, получаемому ими от Солнца. Тепловой поток из недр Земли пренебрежимо мал по сравнению с поступающим от Солнца. Это верно и для др. П. земной группы.

29. Меркурій Меркурій – найменьша планета Сонячної системи. Відстань до Сонця – 0,387 а.о. (~ 75 млн км) Період обертання: навколо Сонця – 88 діб. навколо своєї вісі – 176 діб. Супутники відсутні. Детальні дослідження: “Маринер-10” (1974 р.) “Месенджер” (2008 р.)

30. Меркурій • Елементи поверхні: • Рівнини • Ескарпи • Кратери

31. Меркурій Кратери: Поверхность Меркурия усеяна сеткой из кратеров разных размеров, совсем как поверхность Луны. Их распределение по размерам аналогично лунному. Большая часть кратеров образовалась в результате падения метеоритов. На Меркурии есть горы, высота наиболее высоких достигает 2–4 км.

32. Меркурій Рівнини: На поверхности планеты были обнаружены гладкие округлые равнины, названные по сходству с лунными «морями» бассейнами. Наибольший из них, Калорис, имеет в диаметре 1300 км (океан Бурь на Луне – 1800 км). Появление долин объясняется интенсивной вулканической деятельностью, которая совпала по времени с формированием поверхности планеты. Бассейн Калорис образовался, вероятно, в результате столкновения Меркурия с большим небесным телом на раннем этапе геологической истории Меркурия. Бассейн является результатом истечения лавы из недр планеты после столкновения. Его плоское дно окаймлено разломами и извилистыми гребнями гор.

33. Меркурій Ескарпи: На Меркурии встречается также необычная деталь рельефа – эскарп. Это выступ высотой 2–3 км, разделяющий два района поверхности. Эскарпы образовались как сдвиги при раннем сжатии планеты? На слайде – эскарп на поверхности Меркурия: слева – снимок с Маринера в центре – вид с более близкого расстояния справа – механизм образования эскарпа. Сравнить с плитовой тектоникой Земли!

34. Меркурій Атмосфера та гідросфера: Установлена очень разреженная атмосфера состоящая из инертных газов – гелий, аргон, ксенон, неон. Южный полюс Меркурия В полярных областях Меркурия, возможно, имеется водяной лед. Альбедо Меркурия крайне низкое, около 0,11. Перепады температур из-за смены времен года, вызванной вытянутостью орбиты, на дневной стороне достигают 100°С. Максимальная температура поверхности +410°С. Средняя температура ночного полушария рана –162°С. Температура подсолнечной точки на среднем расстоянии Меркурия от Солнца равна +347°С. Температура поверхности планеты достаточна, чтобы расплавить Pb или Sn.

35. Меркурій Головні особливості: • Достатньо диференційована планета – середня щільність 5,45 г/см3, щільність базальтів? поверхні ~ 3,1 г/см3, а ядра? - 10 г/см3 ???. • Зареєстровано магнітне поле з напруженістю = 0,7 поля Землі. Це дозволяє припускати (разом з п.1) існування «залізного» ядра = ядру Землі, яке знаходиться у рідкому стані. • Досить розвинута палеоендогенна активність (ескарпи, базальти), але сучасна не зареєстрована. • Є незначна атмосфера та гідросфера?? • Гіпотетичний середній склад наближається до складу Землі, але точні оцінки відсутні. • Таким чином, Меркурій – типова планета земної групи. • Зараз очікуються нові детальні дані від зонда “Месенджер” (2008 р.)

36. Венера Среднее расстояние от Солнца – составляет 0,723 а.е. (108,2 млн. км). Орбита практически круговая, наклонение к плоскости эклиптики: i = 3°39´. Венера самая близкая к Земле планета – расстояние 40-259 млн. км. Средняя скорость движения по орбите – 35 км/с. Период обращения – 224,7 з. суток, а период вращения вокруг оси – 243,02 з. суток. При этом Венера вращается в сторону, противоположную своему движению по орбите (в отличие от Земли и остальных планет, исключая Уран). Сутки на Венере - 116,8 з. суток = 0,5 венерианского года. Масса Венеры составляет 0,815M  массы Земли У планеты нет спутников. Радиус Венеры – 0,949 R (6052 км) Средняя плотность Венеры - 5,24 г/см3. Венера имеет практически сферическую форму. Детальні дослідження: Венера 7, 8, 9, 10,13, 14, 15, 16 (1970-1985) «Маринер-2», «Маринер-5» и «Маринер-10» “Маринер-10” (1974 р.) «Магеллан» (1989-1994)

37. Пряме дослідження Венери: Программа “Венера” (СССР) (15 експедицій за 1961-1984 рр.) Перші посадки: Венера 7 (17.08.1970), а далі - Венера 9, 10,13, 14

38. Венера Пейзаж, снятый «Венерой-13». На верхней фотографии скалы имеют оранжевый оттенок, т.к. атмосфера не пропускает синие лучи. На нижней фотографии компьютер «убрал» освещение, создаваемое атмосферой, и скалы видны в их натуральном сером цвете.

39. Венера Средняя плотность Венеры -- 5,24 г/см3. Плотность основных пород (габбро, базальты) поверхности – 3,2 г/см3. Тобто співвідношення кора/планета наближене до земного (кора/Земля=2,8/5,5) У Венеры жидкое железное ядро, но в нем не возбуждается магнитное поле, вероятно, из-за медленного вращения планеты.

40. Венера Радиолокационное изображение Венеры, полученное зондом «Магеллан» Сложный рельеф со следами активного вулканизма, тектонической деятельности Явные последствия метеоритной бомбардировки в прошлом.

41. Венера «Венера-15» и «Венера-16» (1983), «Магеллан» (1989-1994) - полное картографирование поверхности планеты. Обнаружены тысячи древних вулканов, сотни кратеров, горы. Венера – самая активная планета З. группы. Два венерианских континента – Земля Иштар и Земля Афродиты – по площади не меньше Европы каждая. Низменности («океаны») занимают 1/6 поверхности. Горы Максвелла (Земле Иштар) - 11 км над средним уровнем поверхности.

42. Венера: Трансформация радарного снимка зонда «Магеллан»: На переднем плане метеоритный кратер диаметром 48 км. Трещины и складки образовались в результате удара. На горизонте - вулкан высотой около 3 км.

43. Венера Ударные кратеры – редкий элемент венерианского пейзажа (обнаружено 10 кольцевых структур, подобных метеоритным кратерам Луны и Меркурия, диаметром от 35 до 150 км, но сильно сглаженных, уплощенных). На снимке два кратера диаметрами около 40–50 км. Внутренняя область заполнена лавой. Торчащие наружу лепестки обнаружены только на Венере. Образованы раздробленными породами, выброшенными при образовании кратера наружу.

44. Венера Гора Шапаш шириной 400 км и высотой 1,5 км. Такие щитовые вулканы типичны для планеты. Сравните с Землей (Гавайские о-ва):

45. Венера Лепешкообразные вулканы – образованы вязкой?! лавой, вытекающей сквозь трещины на поверхность. Состав лав?? Вязкие – кислые??? Но состав пород на поверхности («Венера») – основные?? Зарегистрированы около 150 вулканов, размеры которых превышают 100 км; общее число вулканов оценивают в 1600. Многие - активны.

46. Венера Атмосфера Венерианские облака в ультрафиолетовых лучах. Состав атмосферы планеты

47. Венера Атмосфера Парниковый эффект в атмосфере Венеры Изменение с высотой температуры и давления в атмосфере планеты

48. Венера Головні особливості: • Достатньо диференційована планета. Є “залізне” ядро. • Але магнітне поле дуже слабке (майже відсутнє). Причина – повільне обертання навколо своєї вісі. • Досить розвинута палеоендогенна та сучасна активність (вулканізм). • Є потужна атмосфера, яка різко відрізняється від земної. • Існування гідросфери виключається умовами на поверхні (Т~ 500 C, P ~ 100 атм.). • Гіпотетичний середній склад наближається до складу Землі, але точні оцінки відсутні. • Таким чином, Венера – типова планета земної групи.

49. Марс Орбита Марса элиптическая – ср. радиус 1,524 а.е. Полный оборот за 687 з. суток. Ср. скорость движения - 24,1 км/с. Расстояния от З. = 56- 400 млн. км. Великие противостояния повторяются каждые 15–17 лет. Период вращения вокруг оси – 24,62 часа. Наклон экватора к орбите: 25°12´ (у Земли – около 23°) - смена день/ночь и времён года = Земле. Год Марса вдвое длиннее земного. Масса планеты - 0,107M Земли. Радиус = 0,5 земного (3 397 км). Детальні дослідження: “Марс”, “Викинг”, “Вояджер”, марсоходы (Спирит, Опортьюнити) и др.

50. Марс Деймос Два спутника: Фобос (26,6×22,2×18,6 км) Деймос (15×12,4×10,8 км) Расстояние от планеты: Фобос - 9 380 км Деймос - 23 460 км Плотность – 2 г/см3 !!!!!!!!! Фобос