ПӘннің ОҚУ-Әдістемелік кешені «Геология» 5В011600 – «География» мамандығы үшін ОҚУ-Әдістемелік материалдары

«Геология»

Семей

2. Жердің пішіні, өлшемі мен қозғалысы.

3. Жердің физикалық қасиеті.

4. Жердің ішкі құрылысы.

5. Жер мен оның қабығының заттық құрамы.

№1 дәрістің конспектісі

Жердің ендеше Күн жүйесінің пайда болу жолдары көне заманнан-ақ талайларды танытқан. Мысалы, ежелгі грек ғалымы Гераклит: «Дүние— жалғыз, оны құдайлар да, адамзат та жасаған жоқ, ол болды, бар да, занды тәртіппен от алып, заңдылыкпен өшетін –мәңгі бақи жасайтын от» депті.

Күн жүйесінің жаралу тегі жөнінде алғаш рет ғылымы пікір айтқан неміссің әйгілі философы Иммануил Кант (1755 ж.) еді. Тура сондай болжамды өз бетімен «Аспан механикасы» (1797 ж.) деген еңбегінде, француз математигі Пьер Симон Лаплас жазды. Сондықтан бұл болжам Кант-Лаплас болжамы дел аталады. Олардың пікірінше. Күн жүйесі Ғарыш кеңістігінде бұлттай үшып жүретін казіргі тұмандықтың біртіндеп коюлануынан жаралған. Орталықтан тепкіш күштердің тегеурінен қою тұмандық біртіндеп Сатурндағыдай сақиналарға бөлшектене бастайды (шылым шеккенде де сақиналар шығады ғой, сол секілді), Сақина бойындағы тозаң-түйіршіктер өзара жабысып бірігеді, тығыздалады да олардың ең ірісі Күнге, кішілері планеталарға айналады.

Сондықтан да олардың бәрі жазықтықтағы орбитамен бір бағытта қозғалады. Дегенмен Кант-Лаплас болжамынша, планеталар біртіндеп суи бастағаи қызулы заттардан түзілген, сондықтан олардың өзектері сұйық балқыған заттардан тұрады, одан магма атқылайды.

Дегенмем Кант -Лаплас болжамында көптеген олқылықтар бар. Күн жүйесінің жасалуын ғылыми тұрғыдан нақтылап шешкен белгілі поляр зерттеуші математик және физик, академик О. Ю. Шмидт пен онын шәкірт-тері. О. Шмидт болжамы бойынша, миллиардтаған жылдар бұрын Күн маңын салқын шан тозаң, қаткан газдардан тұратын алып бұлт коршаған Бұлт бөлшектері бір-бірімен қақтығысып, сонда олардын қозғалу энергиясы жылу энергиясына айналады да ол әлем қеңістігіне жайылып кетеді. Энергиясынан айрылған түйін, бөлшектер бір-біріне тартылып жабысып, ұлғая келе келешек планеталардың ұрығына протопланетаға (грек- «протос» — алғашқы, бірінші) айналады. Массасы шамамеп 100 есе өскен шақта олар кәдімгідей қатты дене түзеді. Олардың саны бастапкы шақта бірнеше миллиардка жеткен. Осы кішігірім планетизмалар бұлтының қоюланып, бір-біріне соқтығысып, бірігуінен планеталар мен олардың серіктері құралады Жер тобы планеталарының осылайша түзілуі 10 млрд жылға созылған.

Алдыңғы беттерде айтылған Күн жүйесінің зандылықтары осы тұжырым тұрғысынан қисынды және қонымды шешіледі. Күннің тарту күшімен планеталар бір жазықта жатқан шенберге ұқсас орбитамен және Күнмен бір бағытта қозғалады. Жер тобы планеталары Күн көзіне жақын орналасқан тозаң бұлтьнан жаралғандықтан олар қызып, құрамындағы мұз, метан, аммиак т. б. ұшпа заттар буланып кетеді. Олардың көлемі кішігірім және жоғары температурада ғана балқитын элементтерден тұрады. Алып планеталар жылу көзінен (Күннен) шалғай түзілгендіктен, ұшпалары буланбай, ішінде қалады. Сондықтан олардың массасы басым және құрамында балқығыш, ұшпа заттар мол болады. Нептун төңірегінен құралған кометалар басында мұздаған ұшпа көп болатыны жақында бізге «қонақтаған» Галлей кометасымен көрінді.

О. Ю. Шмидт теориялык тұрғыдан Күннен алыстаған сайын планеталар орбитасының қашықтау заңдылығын да түсіндірді. Дегенмеи О. Ю. Шмидт болжамы да біраз олқылықтардан құр емес, Ең бастысы- Күн мен планеталар арасындағы қозғалу күштерінің «табиғатқа қарсы» үлесуі, Күн өз жүйесіндегі массаның 99,87 процентін «тартып алса да»өз білігінен өте баяу айналады, күш моментінің не бары 2 процентін меңгереді.Ал планеталар болса, «қозғалу күш қорының» қалған 98 процентін қайдан алады? Сұраққа әзірше жауап жоқ. Екіншібен, Шолпан, Уран, Плутон планеталары кері бағытта айналатын көрінеді. Кейінгі екеуінің айналу білігі математикалық шарттан айрыкша, өз орбиталарының жазығында жатыр.Осыларға нанымды түсінік табу керек. Сонда да казіргі таңда қолымызда О.Ю. Шмидт тұжырымынан татымды ештеңе жоқ.

Сонымен, ұзын сөздің қысқасы,Жер бұдан 5,0-5,5 млрд жыл бұрын басқа планеталар сияқты дүниеге келді. Жердің жаралу сатысында радиоактивтік жылу бөлініп, соның әсерінен құрамындағы ауыр бөлшектер ішкі өзегіне екшеліп, жеңілдері қалқып, жоғары шықты.

Жердің жаралуы туралы жоғарыда айтылғандардан басқа да көптеген болжамдар бар.Бұл тұста Кант-Лаплас және Шмидт болжамдарының басты айырмашылықтарын тағы да зейіндеп өтейік. Кант-Лаплас бойьшша, Күн жүйесі бір мезгілде және қатты қызған (балқыған)

күйде болған, ендеше Жер қойнауындағы жылу көзі мен оған лайыкты процесстер осында. О. Ю.Шмидт Жер (планеталар) Күннен кейін суық заттардан жаралған, демек ішкі жылу көздері кейінірек пайда болған деп түсіндіреді.

Жердің шарға ұқсастығын есімдері әйгілі Пифагор (біздің заманымыздан бұрынғы V ғасыр), Аристотель (біздін заманымыздан бұрынғы III ғасыр) далелдеген. Олардың дәлелі — Ай тұтылғанда оның бетін Жердің дөнгелек көлеңкесі жабатыны. Қазіргі жыл қайыруымыздан екі ғасыр бұрын ғалым, Александрия кітапханасының қызметшісі Эратосфен аулада отырып Жердің «белін» есептеп шықты,радиусы 6370 км екен.

XVII—XVIII ғасырларда ғалымдар Жердін пошымы эллипсоид пішінді екенін дәлелдеді. Ондай пішінді ма­тематика жолымен атақты И.Ньютон дәлелдеген еді. Қазірде көгілдір тартқан Жер бейнесін ғарыштан фотоға түсіріп, бой-қырын да өлшеп алдық. Жердің эллипсоид пішініне көзіміз жетті. Эллипсоид — геометриялык сызық, ал Жер бетінің дөңес-ойыстары бар емес пе? Сондықтан геодезистер Жер пішінін геоид (Жер тәріздес) деп атайды.

Эллипсоид сияқты геоид та сопақ экваторлық бүйірі шығыңқы. Жердің экваторлык радиусы a=6378245 м полярлық радиусы в = 6356863 м.Ендеше, Жер полюстері кіндігіне экватор бойындағы нүктеден 21400 м жақын болғаны, яғни =298,3 = 1/300 санын Жердің сығылуы деп атайды. Бір жағынан қарасақ Жердің сопақтығы оның зор денесімен салыстырғанда түкке тұрмастай, аз шама секілді. Дегенмен ойланып көрейік: экватор бойында адам салмағы 500 г аз, ал Эльбрус шынында 120 грамм жеңіл. Экватор бойында сағат маятнигі Мәскеуден гөрі баяу жүреді. Демек полюстен экваторға көшірілген дене полюспен салыстырғанда жеңілірек болады.

Көп планеталар секілді Жер де батыстан шығысқа қарай айналып тұрған дене. Өзіміз білетіндей, ол өз білігінен 23 сағат 56 минут, 4 секундте бір айналады. Ендеше айналу жылдамдығы 30 км/с, яғни мылтықтың оғынан 36 есе жылдам. Соның себебінен Жердін ішкі жағында неше түрлі процесстер болып жатады (сеператор іспетті). Ал үздіксіз айналып тұрған Жер «подшипниктерінің» үйкелісінен күн тәулігі мың жылда 0,01 минутке ұзарады; миллиардтаған жылдарда ше? Оның үстіне Жер бірлігі 23,5градусқа еңкіш екенін де ескерелік.

Жердің масса салмағын геология ғылымында көрнекті шотланд геологы Джеймс Хаттон (Геттон) өлшеп шықты.Ол үшін ғалым бір төбешікті кәдімгі тіктеуіш кірді және И Ньютонның әйгілі екі заттың бір-біріне тартылу күшінің олардың ара қашықтығына байланысты заңдылығын қолданды. Сонда Жер салмағы 6* 10 21т екен.

Жердің ауырлық күші. Адамзат жер тұрғыны болуының өзі жердің тартылу күшінен туады. Жер жыныстарының тығыздығына байланысты ол шыр көбелек айналудың орталықтан тепкіш күшін теңестіреді. Геофизика ғылымының ауырлық күшін зерттейтін саласын грави­метрия деп атайды, Заттың салмағына қарай үдеу жылдамдығын алғаш рет өлшеген Г. Галилей еді. Соның құрметіне үдеу күшінің бірлік санын гал (I см/с²) деп атайды.

Гравиметриялық әдіспен Жердің және оның қабаттарының тығыздығын өлшейді: оның орташа тығыздығы 2,7-2,8, ал өзеннің тығыздығы 11 - 12 г/см³

Жер қабаттары тығыздығының осылайша жіктелуі Жердің тарихи дамуының жалпы теориясын құруда зор дәйек рөлін атқарады

Және геофизик мамандар ауырлық күшінің әр өлкеде қалай өзгеретінін анықтай келе, қай маңда кен барын болжайды.Мысалы, Кривой Рог кенінің 4 км тереңге дейін баратыны анықталды. Сол сияқты ауырлық күшінің әшейіндегіден ауытқуын картаға түсіріп, мұнай, газ, тұз кендерінің жатқан тұсын, тереңдігін біле аламыз.

Заттың ауырлығымен қысым байланысты.Жердің терең қабаттарында қысым да күшті.Ол 50 км тереңде 8250 атмосфераға,2900 километрде 1,5млн, ядросында 3,5 млн атмосфераға жетеді.

Магниттік полюстер бір орнында тұрмайтын көрінеді, олар үнемі қозғалып шайқалып тұрады.Тап қазір де солтүстік магниттік полюс жағрафиялақ полюстен

Егер магнит полюсіне табан тіреп тұра қалсақ, құбылнаманың магнит тілі табанымызға келіп тоқтаған болар еді. Басқа аймақта магнит тілі аз да болса осылайша төмен еңкейеді Мұны магниттік еңкею бұрышы деп атайды.

Әp жыныстың, әр өлкенің магниттік күшін өлшейтін аспапты магнитометр деп атайды да, оны зерттейтін геофизика саласын магниттік барлау дейді. Ауданның магниттік карталары жасалып, онда магниттік кернеу бірдей нүктелерді бір сызықпен қосады. Сонда қай жерде магниттік күш біркелкі, қай өлкеде әдеттегідей артық не кем (аномалды) екенін аңғартады. Артық немесе кем болуы өлкеде жатқан кен жыныстарының магниттік қасиетіне байланысты, Мысалы, құрамында темір тотықтары көбірек жыныстардың магниттік кернеуі ерекше артық. Соған қарап, геологтар темір кендерін ашады. Мысалы, Курск магнит аномалиясына қарап, алып кендер ашылды. Курск маңында компас тілі солтүстік бағыт орнына батысқа да, шығысқа да, тіпгі оңтүстікке де ұйытқып тұрады. Осылайша 50-жылдары ұшкыш М. Сургутановтың жәрдемімен Қостанай обл сындағы тақтадай жазық бүркеніш астынан Соколов-Сарыбай т. б. кендер табылды.

Тағы бір байқайтынымыз, Жер жаралғалы бері оның магнит өрісі ұдайы кезіп, «көшіп-қонып» жүретін көрінеді, тіпті солтүстік және оңтүстік полюстері орындарын алмастырып отыратын көрінеді. Ал магмалық жыныстар (әсіресе, темірге бай базальттар) қатайған шақта олардың магниттілігі Жердің магнит өрісіне сай бағытталады да, сол бағыты мен күшін мәңгілік «жадында сақтап қалады, басқаша айтсақ магнит өрісі магнитофон таспасына жазылған әндей сақталады. Соларды әр қабаттан ұқыптап зерттеп, әр аймақтан түйе келіп, жыныстардың салыстырмалы жасын да анықтауға болады екен. Ғылымның бұл саласын қазір магнито стра­тиграфия деп атайды, оны Жердің «магниттік күнтізбесі» десек те болады.

Геология ілімінің қазіргі ту қылып көтерген, ғылыми-техникалық прогресс жасаған теориясын плита тектоникасы деп атайды. Осы теорияға дем беріп, дәйек тапкан алдымен Жердің магниттік құбылыстары еді,

Жердің қызуы. Жер бетін, барлығымызға мәлім Күн шуағы жылытады, бірақ ол қызу тереңre жетпейді, мayсымға сай шамалы өзгергені болмаса, біраздан соң жер температурасы тұрақты болады. Ocы денгейі Мәскеу төңірегіндс 20 метр, Якутск маңында 116 метр. Одан әрі қарай жер қойнауы қыза бастайды. Ішкі қабаттарын Жердің өз көздері қыздырады. Оның жылуын шахталар, скважиналар түбінен, жанартаулардан өлшеп білеміз. Жер қойнауында шамамен әрбір 33 метрге тереңдегсн сайын қызуы 1°С-ге көтеріледі. Осы санды геотермиялық саты деп атайды. Бұл сан әрбір өлке сайын өзгеріп отырады: Кавказ төңірегінде 12 м, Ембі ауданында 33 м, Қарағанды бассейнінде 62 м, Камчаткада 2 -3 м.

Геотермалық градиент (латынша «градиенс» — саты, адым) деп кері санды, яғни 100 м тереңдегенде көтерілген жылу температурасын айтады. Айтылған жағдайларды ескерсек,Жер кіндігіндегі қызу 200000°С-қа жетуге тиіс. Бірақ қызудын көтерілуіне Жер қабаттарының алуан қысымы қарама-қарсы тұрады.

Жер өзегіндегі заттар балқыған сұйық деген болжау, міне, осыдан туады. Геотермиялық жылу заттың 1 см³ бетінен 1 секунтте шыққан микрокалория жылуымен өлшенеді (мкал/см².с). Осы жылу тасқынының бүкіл орта шамасы 1,47. Ол көне материктерде шамалы (0,9), жас таулы аймақтар (Карпат, Кавказ) мен жанартаулы өлкелерде 2,2-ге, мұхиттардың орталық жоталарында 8-ге жетеді.

Адам қоғамы жылу энергиясының жаңа, оның ішінде айналамызды коршаған ортаға зиянсыз көздерін іздестіруде. Солардың бірі - Жер қойнының жылуын пайдаға асыру. Осы жылулы арасан суларынан парник шаруашылығында, үй жылытуға іс жүзінде қолданып та жүрміз.

Жер қоймауындағы қызудың көзі негізінде заттардың (элементтердің) радиоактивті ыдырауының энергиясы.

Жердің радиоактивтік қасиеті. Жердің радиоактивтілігі едәуір, ол әсіресе жердің үстіңгі қабығында мол. Оны түзген жыныстар тобының радиоактивтілігі әр қисынды. Ең күштісі уран, торий, радий секілді радиоак-тивті элементтердің кендері, одан соң соларға бай гранит тектес жыныстар. Радиоактивтік қасиеті орташа қабаттар — орта негізді магмалық және шөгінді жыныстар; мұндай қасиеті кем жыныстар — құмтас, саз-балшық, тұздар, әктастар. Десек те, калий тұздары радиогенді жылудың 20%-ін шығарады.

Радиоактивтік энергия өзінен-өзі үнемі үзілмей туып тұратынын ескерсек, жер құшағы ешқашан суымайды, акыр заман» болмайды және де оның көлемі оншалықты кемімейді. Жердің үстіңгі 90 м қабатынан өтетін радноактивтік жылу жер бетінен ауаға «ұшатын» жылудан 13 есе артық. Әр жыныстың радиоактивтік қабілеті әр қилы болатынын ескеріп, жер бетінен де, скважиналардан (шахтылардан да) мамандар жыныстардың, радиоактивтілігін өлшейді, аспабын радиометр деп атайды. Скважиналарды өлшеуді гамма-каротаж, нейтрондық (қайта өткен сәуле) гамма-каротаж дейді. Осы өлшеу арқылы радиоактивті кендерді іздейді.

Химиялық элементтер радиоактивтік ыдыраудан бірнеше туынды изотоптар беретінін білеміз. Солардың шама қатынасын өлшей отырып, геологтар тау жыныстарының абсолюттік (жылмен саналатын) жасын да, қан дай климаттық жағдайда жаралғанын да анықтап отырады. Тұз сияқты радиоактивтілігі жоққа тән жыныстарды іздейміз. Онымен қоса Жер қабаттарының құрылысын зерттейміз.

Электрлік қасиеті. Күн жерге қарай электрленген бөлшектерді ұшқындатады. Жердің магнит өрісі оларды өз жолынан экваторға бұрады да электр тогы Жерден алшақ өтіп, магниттік қасиеті күшті дөңгелек порымды электр ағысын түзеді. Электрленгсн бөлшектер жер бетіне өтіп, полюстер маңында шүғылалар құрайды. Coнымен Жер қойнауында электротеллурлік токтар бар. Жердегі өрісіне байланысты төменгі және жоғарғы ендіктерде теллурлік токтар шығыстан батысқа қарай, ал ортаңғы белдеулерде солтүстіктен оңтүстікке қарай тарайды.

Оның үстіне егер жер қабығына қолдан ток жіберсек, әр жыныстың өз бойынан электр қуатын өткізуі де әр түрлі ексенін байқаймыз. Бір жыныстар (мысалы, көмір, графит, ылғалы мол жыныстар) электр тогын жақсы өткізеді , басқа біреулері (тұздар, мұнай) электр тогын шамалы өткізеді. Соны біліп, бұрғылаған скважиналарға ток жіберіп, қабаттардың, меншікті электрлік кедергісін өлшейді; өлшемі ом.м. Электрлік кедергісі, радиоактивтік және поляризациялық қасиеттері, скважина қабырғасының беріктігі осындай мәліметтер қағазға сызылады, оларды каротаждиаграммасы дейді. Бұл мәліметтерді өзара салыстыра келе, мамандар тереңдегі жыныс жүйелерінің қабаттарын, олардың ішіндегі су,көмір, мұнай т. б, кендерін алдын ала болжап отырады, әр скважина тесіп өткен қабаттарды салыстырып, олардың жату жағдайын анықтайды.Оған қоса жер қабаттарының құрылымын да зерттейді.

4.Жердің ішкі құрылысы.

Миллиардтаған жылдар бойы Жердің ішкі құрылысы қалайша өзгеретінін білу ушін әуелі оның қазіргі ішкі құрылысын анықтау керек. Бұл оңайға түсе қоймайды, өйткені Жер қойнауын біз 12,5 км тереңдікке дейін ғана бұрғылай аламыз. Одан әрі қарай тек жанама жолмен ғана «бас сұға» аламыз.

Жер құрылысының басты өзгешелігі — оның физикалық қасиеттері бір текті емес, радиусы бойындағы заттар әлденеше қабаттарға жіктеледі. Жердің ішкі белдеулерінің құрамы мен физикалық күйін әр түрлі геофизикалық әдістер арқылы білеміз. Олардың ішінде ең маңыздысы сейсмикалық әдіс (сейсма - сілкіну) Жер сілкіну — толқынның тарауы емес пе? Маман геофизиктер осы жер сілкінуінен немесе қолдан туғызған жарылудан тараған толқындарды аспаптармен тыңдап, «ұстай» алады. Жер сілкіну ошағынан екі түрлі толқындар тарайды. Қума толқын (Р) суға лақтырған тас толқынындай қатты, сұйық, газ денелердің бәрінен тарайды. Екіншісі — көлденең (S) толқын кесіп өткен ортаның көлемінің өзгеруіне байланысты тарайтындықтан ол тек қатты денелерден өтеді. Екі толқынның да жылдамдығы өздері шарпып өтетін жыныстардың тығыздығына байланысты. Ендеше, соларды байыптап өлшеп, жазып, тереңдегі жыныстардың физикалық күйін және қай тұста (тереңдікте) жатқанын білеміз.

Міне, осылайша зерттей келе, Жер шары негізінде үш қабаттан тұратыны анықталды:

1) Жер қабығы — Жердің үстіңгі қабаты. Ол қабыршақтай жұқа, шамамен жер радиусының 0,6%-ін алады. Қалыңдығы мұхиттар астында 5—10 км, жазық жерлерінде 30—40 км, Памир, Гималай сияқты заңғар таулар астында 50—70 км.

2) Жердің мантиясы (грекше мантиум — сырт киім). Жер қабығынан кейін 2900 км терендікке жетеді. Оны жоғарғы (900—1000 км-ге шейін) және төменгі мантия деп бөледі, кейбір ғалымдар мантияны үш қабатқа бө­леді.

3) Жер ядросы (өзегі): Оны да сыртқы (5000 км шейін) және ішкі ядроға жіктейді.

Сейсмикалық қума толқын жер қабығының төменгі тұсынан 6,5—7,0 км/с, ал көлденең толқын 3,7—3,8 км/с жылдамдықпен тарайды. Мантияда жер қабығының қума толқыны кенет өсіп (8,0—8,3 км/с), көлденең толқын 4,5—4_,7 км/с жылдамдықпен өтетін айырық

бетпен бөлінеді. Осы бетті алғаш рет 1911 жылы югослав геофизигі А. Мохоровичич көрсеткен болатын, сол ма­манның атымен ол шекті Мохоровичич беті немесе шегі (қысқаша Мохо немесе М) деп атайды.

Мантияның жоғары жағында салыстырмалы тығыз-дығы кем, жыныстары жұмсақ қабат бар. Оны астеносфера (грекшс «астянос»— әлсіз, жұмсақ) деп атай­ды. Онда сейсмикалық толқындардың, әсіресе көлденең толқынның, жылдамдығы баяулап, электр өткізгіш қабілеті өсе түседі. Демек оның тұтқырлығы шамалы, жалсарлары жіпсіген. Өйткені жердің ішкі қабатына тереңдеген сайын жылудың әсерінс байланысты құрамындағы заттардың I —10 проценті балқып кетеді. Астеносфера қабаты құрлықтар астында 80—120-км-ден 200—250 км-ге, мұхиттар астында 50— 70-тен 300— 400 км-ге дейін тереңдікте орналасады. Жер қабығы мен мантияның астеносферадан жоғары бөлігін біріктіріп литосфера (грекше литос» — тас ) деп атайды. Oның заты қатты кристалдық күйде.

Астеносферадан төмен қарай сейсмикалық толқындар жылдамдығы өсе бастайды. Қума толқынның жылдамдығы мантиянын астынғы жағында 13,6 км/с-ге, көлденең толқынның жылдамдығы 7,2—7,3 км/с-ге жетеді. Мантия заты қатты. Ал ядро меп мантия шегінде біріншісінің жылдамдығы 13,6 км/с-ден қайтадан 8,1 км /с-гс кемиді. Ендеше бұл тұста тағи бір сейсмикалық айырық бар екенін сеземіз. Одан соң қума толқынның жылдамдығы біртіндсп артады да, сыртқы ядрода 10,5 км/с-ге, ішкі ядрода 11,2—11,3 км/с-ге жетеді. Көлденең толқындар ядродан өтпейді, өйткені оның заты — балқыған сұйық. Дегенмен ішкі ядроның заты қатты күйде деген де пікір бар.