1) Строение океанической и материковой земной коры одинаковые.
2) Континентальная земная кора легче, чем океаническая.
3) Самый молодой слой земной коры – осадочный.
4)Океаническая земная кора имеет большую мощность чем континентальная.
10.Какой климатический пояс занимает наибольшую Австралии?
1) Тропический 2) Экваториальный 3)Умеренный 4) Арктический
11. Распределите южные материки по мере увеличения их площади:
1) Антарктида 2) Африка 3) Южная Америка 4) Австралия.
Запишите ответ одним словом
12. Назовите самое замечательное течение Мирового океана, которое является мощным и глубоким (2500-3000 м) потоком в океане. Двигаясь со скоростью 25-30 см/с, оно пересекает три океана и замыкает южные субтропические круговороты.
Ответ:_______________________________
Дайте краткий ответ.
13. 2/3 поверхности Земли занимает океан. Но с каждым годом все больше людей сталкивается с проблемой нехватки воды. Почему?
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Помогите!Кому нетрудно!Кто знает!Дам 60 баллов!Прошу вас!Мощность материковой земной коры составляет________км.Ее слагают______слоя.
Самым нижним является_______слой,самым верхним-_______слой,а между ними-_______ слой.
Самые приподнятые равнины-________ имеют высоту более______м.
1. 6 -7 млрд.; 2. 4,5 - 5 млрд; 3. 1 - 1,5 млрд. 4. 700 -800 млн.
В какой строке указана правильная последовательность геологических эр?
1. архейская - палеозойская - протерозойская - мезозойская - кайназойская;
2.протерозойская - палеозойская - мезозойская - архейская- кайназойская;
3.архейская -протерозойская - палеозойская - мезозойская - кайназойская;
4. архейская - протерозойская -палеозойская - кайназойская- мезозойская;
Мощность материковой земной коры составляет:
1. менее 5 км; 2. от 5 до 10 км; 3. от 35 до 80 км; 4. от 80 до 150 км.
Где земная кора имеет наибольшую толщину?
1. на Западно-Сибирской равнине; 3. на дне океана
2. в Гималаях; 4. в Амазонской низменности.
Часть Евразии расположена на литосферной плите:
1. Африканской; 3. Индо-Австралийской;
2. Антарктической; 4.Тихоокеанской.
Сейсмические пояса Земли образуются:
1. на границах столкновения литосферных плит;
2. на границах раздвижения и разрыва литосферных плит;
3. в районах скольжения литосферных плит параллельно друг другу;
4. все варианты правильны.
Какие из перечисленных гор относятся к наиболее древних?
1. Скандинавские; 2. Уральские; 3. Гималаи; 4. Анды.
В какой строчке горные сооружения стоят в правильном порядке по времени возникновения (от древних к молодым)?
1. Гималаи - Уральские горы - Кордильеры; 3. Уральские горы - Кордильеры - Гималаи;
2. Уральские горы -Гималаи - Кордильеры; 4. Кордильеры - Уральские горы - Гималаи.
Какие формы рельефа образуются в областях складчатости?
1. горы; 2. равнины; 3. платформы; 4. низменности.
Относительно устойчивые и выровненные участки земной коры, лежащие в основании современных материков -это:
1. материковые отмели; 2. платформы; 3. сейсмические пояса; 4. острова.
Какое утвержднение о литосферных плитах верно?
1. литосферные плиты медленно передвигаются по мягкому пластичному веществу мантии;
2. материковые литосферные плиты легче океанических;
3. перемещение литосферных плит происходит со скоростью 111 км в год;
4. границы литосферных плит точно соответствуют границам материков.
Если на карте строения земной коры установлено, что территория находится в области новой (кайназойской складчатости), то можно сделать вывод, что:
1. для неё велика вероятность землетрясений;
2. она находится на большой равнине;
3. в основании территории лежит платформа.
Чем океанической земная кора отличается от материковой земной коры:
1. отсутствием осадочного слоя; 2. отсутствием гранитного слоя; 3. отсутствием гранитного слоя.
Расположите слои горных пород континентальной земной коры от нижнего к верхнему:
1. гранитный слой; 2. базальтовый слой; 3. осадочный слой.
Прочитайте текст.
21 мая 1960 года в городе Консепсьоне, находящимся на территории государства Чили, произошло землетрясение, за которым последовала серия подземных толчков. Рухнули здания, под обломками которых погибли тысячи людей. 24 мая в шесть часов утра волны цунами подошли к Курильским островам и Камчатке.
Почему в этом районе часто происходят землетрясения? Приведите не менее двух суждений.
Cтраница 1
Мощность земной коры здесь не превышает 5 - 7 км, в ее составе отсутствует гранитный слой, а мощность осадочного слоя незначительна, что резко снижает перспективы нефтегазоносное этих территорий.
Мощность земной коры в целом уменьшается, если геотерма смещается ближе к оси температур, что обеспечивается высокой теплопроводностью, связанной с циркуляцией масс воды от свободной поверхности вплоть до нижней коры, как, например, в случае Паннонского бассейна.
В настоящее время мощность земной коры в среднем принимается равной / о диаметра Земли.
Особенностью континентальной коры является наличие корней гор - резкого увеличения мощности земной коры под крупными горными системами. Под Гималаями, на-мощность коры, по-ви-достигает 70 - 80 км.
Примерно такими же были условия и в последующий, катархейский, период развития Земли, продолжавшийся, вероятно, 0 5 млрд. лет (4 0 - 3 5 млрд. лет назад), когда постепенно увеличивалась мощность земной коры и, вероятно, происходила ее дифференциация на более мощные и стабильные и менее мощные и подвижные участки.
Страна горы и низменности Дальнего Востока имеет условную границу: на западе и севере она совпадает с долинами рек Олек-ма, Алдан, Юдома и Охота, на востоке включает шельф Охотского и Японского морей, на юге проходит по государственной границе. Мощность земной коры достигает 30 - 45 км и зеркально отражает основные крупные орографические единицы.
Южное крыло Большого Кавказа (на севере и северо-востоке региона) представляет собой веерообразную складчатую асимметричную структуру, сложенную преимущественно юрскими и меловыми отложениями, и характеризуется значительной сейсмичностью. Мощность земной коры составляет 45 - 80 км. Здесь расположены оба выделенных нами аномальных района. По данным магнитотеллурического зондирования [ Шолпо, 1978 ], слой повышенной проводимости расположен под Большим Кавказом в узкой полосе вдоль главного хребта и южного склона, но на востоке она расширяется и захватывает районы Дагестана, где развиты известняковые отложения. Этот слой имеет толщину порядка 5 - 10 км и расположен на глубине 20 - 25 км под осевой зоной мегантиклинория. По простиранию происходит постепенное погружение этого слоя до 60 - 75 км на периклиналях. Малый Кавказ (на юго-западе региона) с морфологически отчетливо выраженными вулканическими аппаратами делится на три крупных мегаблока. Западное крыло Малого Кавказа характеризуется развитием мезозойских вулканогенно-оса-дочных формаций и интрузий. Оно отличается пологой складчатостью.
| Структурно-тектоническая схема сверхглубокой части Тунгусской системы рифтов (составили Ю.Т. Афанасьев, Ю.С. Кувыкин с использованием Карты нефте-газоносности СССР. |
Для выделяемых массивов характерен континентальный тип разрезов земной коры, в системах рифтов ее мощность значительно уменьшена. Другие расчеты [ Коган, 1975 ] оценивают мощность земной коры до 25 - 20 км в центральных частях Тунгусской и Вилюйской впадин, до 25 - 30 км в Саяно-Енисейской впадине и до 30 - 35 км - в меридиональной системе рифтов, разделяющих Анабарский и Оленек-ский массивы.
Южно-Каспийская депрессия имеет разрез земной коры океанического типа. Гранитный слой отсутствует в пределах глубоководных частей Южного Каспия, а мощность земной коры не превышает 50 км. В пределах СГД выявлены следующие крупные геоструктурные элементы: на море - это Апшероно-Прибалханская зона поднятий. Бакинский архипелаг, Туркменская структурная терраса и глубоководная зона Южного Каспия, а на суше - Куринская впадина, которая зоной Талыш-Вандам - ского максимума делится на Нижнекуринскую и Среднекуринскую депрессии. Апшероно-Прибалханская зона поднятий пересекает Южный Каспий в субширотном направлении.
Возникновение в результате проявления эндогенных факторов крупных горных сооружений стимулирует деятельность поверхностных, экзогенных, агентов, направленную на разрушение гор. Вместе с тем, сглаживание, выравнивание рельефа действием экзогенных факторов приводит к сокращению мощности земной коры, уменьшению ее нагрузки на более глубокие оболочки Земли и часто сопровождается всплытием, возды-манием коры. Так, таяние мощного ледника и разрушение гор на севере Европы, по мнению ученых, является причиной ного воздымания Скандинавии.
Мощность земной коры в разных частях земного шара не остается постоянной. Наибольшей мощности кора достигает на континентах, и особенно под горными сооружениями (здесь толщина гранитной оболочки достигает 30 - 40 км); предполагается, чтб под океанами мощность земной коры, лишенной гранитной оболочки, не превышает 6 - 8 км.
Введение
По сравнению с размерами земного шара, земная кора составляет 1/200 его радиуса. Но эта "пленка" - самое сложное по строению и до сих пор наиболее загадочное образование нашей планеты. Главнейшая особенность коры в том, что она служит пограничным слоем между земным шаром и окружающим нас космическим пространством. В этой переходной зоне между двумя стихиями мироздания - космосом и веществом планеты - постоянно происходили сложнейшие физико-химические процессы, и, что замечательное, следы этих процессов в значительной степени сохранились.
Основными целями работы является:
Рассмотреть основные типы земной коры и её составляющие;
Определить тектонические структуры земной коры;
Рассмотреть минеральный состав земной коры и горных пород.
Строение и мощность земной коры
Первые представления о существовании земной коры были высказаны английским физиком У.Гильбертом в 1600 г. Им было предложено делить недра Земли на две неравные части: кору или скорлупу и твёрдое ядро.
Развитие этих идей содержится в трудах Л.Декарта, Г.Лейбница, Ж.Бюффона, М.В.Ломоносова и многих других, зарубежных и отечественных учёных. В начале исследование земной коры было ориентировано на изучение земной коры континентов. Поэтому первые модели коры отражали особенности строения коры континентального типа.
Термин "земная кора" был введен в географическую науку австрийским геологом Э. Зюссом в 1881 г. (8) Помимо этого термина данный слой имеет и другое название - сиаль, составленное из первых букв наиболее распространенных здесь элементов - кремния (silicium, 26%) и алюминия (aluminium, 7,45%).
В первой половине XX века изучение строения недр стало проводиться с использованием сейсмологии и сейсмики. Анализируя характер сейсмических волн от землетрясения в Хорватии в 1909 г., сейсмолог А.Мохоровичич, как уже указывалось, выделил чётко прослеживающуюся сейсмическую границу на глубине порядка 50 км, которую он определил как подошву земной коры (поверхность Мохоровичича, Мохо, или М).
В 1925 г. В.Конрад зафиксировал выше границы Мохоровичича ещё одну поверхность раздела внутри коры, которая также получила его имя - поверхность Конрада, или поверхность К - граница между "гранитным" и "базальтовым" слоями является раздел Конрада.
Учёным было предложено верхний слой коры мощностью порядка 12 км называть "гранитным слоем", а нижний мощностью 25 км - "базальтовым". Появилась первая двухслойная модель строения земной коры. Дальнейшие исследования позволили измерить мощность коры в разных областях континентов. Было установлено, что в низменных районах она составляет 35 ? 45 км, а в горных возрастает до 50 ? 60 км (максимальная мощность коры - 75 км зафиксирована на Памире). Такое утолщение земной коры Б.Гутенбергом было названо "корнями гор".
Установлено было также, что гранитный слой имеет скорость сейсмических волн 5 ? 6 км/с, свойственную для гранитов, а нижний - 6 ? 7 км/с, характерную для базальтов. Земную кору, состоящую из гранитного и базальтового слоёв, назвали консолидированной корой, на которой располагается ещё один, верхний, осадочный слой. Его мощность варьировала в пределах 0 ? 5-6 км (максимальная мощность осадочного слоя достигает 20 ? 25 км).
Новый шаг в изучении строения земной коры континентов сделан в результате внедрения мощных взрывных источников сейсмических волн.
В 1954 г. Г.А. Гамбурцевым был разработан метод глубокого сейсмического зондирования (ГСЗ), позволивший "просветить" недра Земли до глубины в 100 км.
Сейсмические исследования стали проводить по специальным профилям, что позволило получать учёным непрерывную информацию о строении земной коры. Сейсморазведка проводилась в прибрежных зонах морей и океанов, а в начале 60-ых годов начались глобальные исследования этим методом дна Мирового океана. Было научно обосновано представление о существовании двух принципиально различных типов коры: континентальной и океанической.
Материалы ГСЗ позволили советским геофизикам (Ю.Н.Годин, Н.И.Павлинкова, Н.К.Булин и др.) опровергнуть представления о существовании повсеместно выдержанной поверхности Конрада. Это было подтверждено и бурением Кольской сверхглубокой скважины, которая не вскрыла подошву гранитного слоя на глубине, указанной геофизиками.
Стали развиваться представления о существовании нескольких поверхностей раздела типа поверхности Конрада, положения которых определялись не столько сменой состава кристаллических пород, сколько различной степенью их метаморфизма. Высказывались мысли о том, что в составе гранитного и базальтового слоёв земной коры существенную роль играют метаморфические породы (Ю.Н.Годин, И.А.Резанов, В.В.Белоусов и др.).
Увеличение скорости сейсмических волн объяснялось возрастанием основности пород и большой степенью их метаморфизма. Таким образом, в составе "гранитного" слоя должны находиться не только гранитоиды, но и метаморфические породы (типа гнейсов, слюдистых сланцев и т.д.), возникшие из первично осадочных отложений. Слой стали называть гранито-метаморфическим, или гранито-гнейсовым. Под ним понималась совокупность магматических и осадочно-метаморфических пород, состав и фазовое состояние которых обуславливают физические параметры, близкие к таковым у неизмененных гранитов или гранитоидов, т.е. плотность порядка 2,58 ? 2,64 г/см и пластовая скорость 5,5 ? 6,3 км/с.
В составе "базальтового" слоя допускалось наличие пород глубокой (гранулитовой) стадии метаморфизма. Его стали именовать гранулито-базитовым, гранулито-эклогитовым, и понимать под ним совокупность магматических и метаморфизованных пород среднего, основного или близкого к ним состава, имеющих физические параметры: плотность 2,8 ? 3,1 г/см, пластовую скорость 6,6 ? 7,4 км/с. Судя по экспериментальным данным, обломкам (ксенолитам) глубинных пород из трубок взрыва, этот слой может быть сложен гранулитами, габброидами, основными гнейсами и эклогитоподобными породами.
Термины "гранитный" и "базальтовый" слой остались в обращении, но их брали в кавычки, подчеркивая тем самым условность их состава и названия.
Современный этап развития представлений о строении земной коры континентов начался в 80-ые годы прошлого столетия и характеризуется созданием трехслойной модели консолидированной коры. Исследования ряда отечественных (Н.И.Павленкова, И.П.Косминская) и зарубежных (С.Мюеллер) учёных доказали, что в строении земной коры континентов кроме осадочного слоя, необходимо выделить, по крайней мере, три, а не два, слоя: верхний, средний и нижний (рис. 1).
Верхний слой, мощностью 8 ? 15 км, отмечается нарастанием скорости сейсмических волн с глубиной, блоковостью строения, наличием сравнительно многочисленных трещин и разломов. Подошва слоя со скоростями 6,1 ? 6,5 км/с определяется как граница К. По мнению ряда учёных, верхний слой консолидированной коры соответствует гранитно-метаморфическому слою в двуслойной модели коры.
Второй (средний) слой до глубин 20 ? 25 км (иногда до 30 км) характеризуется некоторым снижением скорости упругих волн (порядка 6,4 км/с), отсутствием градиентов скоростей. Его подошва выделяется как граница К. Считается, что второй слой сложен породами типа базальтов, поэтому его можно отождествлять с "базальтовым" слоем коры.
Рис.1
Третий (нижний) слой, прослеживающийся до подошвы коры, высокоскоростной (6,8 ? 7,7 км/с). Для него присуща тонкая расслоенность и увеличение с глубиной градиента скорости. Он представлен ультраосновными породами, поэтому его нельзя относить к "базальтовому" слою коры. Есть предположения, что нижний слой коры является продуктом преобразования вещества верхней мантии, своеобразной зоной выветривания мантии (Н.И.Павленкова). В классической модели строения коры средний и нижний слои составляют гранулито-базитовый слой.
Строение и мощности земной коры в пределах различных областей континентов несколько варьируют. Так для земной коры, глубоких платформенных впадин и передовых прогибов характерны следующие особенности строения: большая мощность осадочного слоя (до половины мощности всей коры); более тонкая и более высокоскоростная, чем на других участках платформ, консолидированная кора; приподнятое положение поверхности М. Часто в их пределах выклинивается или резко утончается верхний ("гранитный") слой консолидированной коры, существенно сокращается мощность и среднего слоя.
На вопрос Какие типы географической коры бывают? заданный автором Анастасия Власова
лучший ответ это Различают 2 основных вида земной коры: континентальный и океанический и 2 переходных типа - субконтинентальный и субокеанический.
Континентальный тип земной коры имеет мощность от 35 до 75 км. , в области шельфа – 20 – 25 км. , а на материковом склоне выклинивается. Выделяют 3 слоя континентальной коры:
1 – ый – верхний, сложенный осадочными горными породами мощностью от 0 до 10 км. на платформах и 15 – 20 км. в тектонических прогибах горных сооружений.
2 – ой – средний «гранитно – гнейсовый» или «гранитный» - 50 % граниты и 40 % гнейсы и др. метаморфизированные породы. Его средняя мощность – 15 – 20 км. (в горных сооружениях до 20 – 25 км.) .
3 – ий – нижний, «базальтовый» или «гранитно - базальтовый» , по составу близок к базальту. Мощность от 15 – 20 до 35 км. Граница между «гранитовым» и «базальтовым» слоями – раздел Конрада.
По современным данным океанический тип земной коры также имеет трехслойное строение мощностью от 5 до 9 (12) км. , чаще 6 –7 км.
1 – ый слой – верхний, осадочный, состоит из рыхлых осадков. Его мощность – от нескольких сот метров до 1 км.
2 – ой слой – базальты с прослоями карбонатных и кремниевых пород. Мощность от 1 – 1,5 до 2,5 – 3 км.
3 – ий слой – нижний, бурением не вскрыт. Сложен основными магматическими породами типа габрро с подчиненными, ультраосновными породами (серпентинитами, пироксенитами) .
Субконтинентальный тип земной поверхности по строению аналогичен континентальному, но не имеет четко выраженного раздела Конрада. Этот тип коры связан обычно с островными дугами – Курильскими, Алеутскими и окраинами материков.
1 – ый слой – верхний, осадочно – вулканогенный, мощность – 0,5 – 5 км. (в среднем 2 – 3 км.) .
2 – ой слой – островодужный, «гранитный» , мощность 5 – 10 км.
3 – ий слой – «базальтовый» , на глубинах 8 – 15 км. , мощностью от 14 – 18 до 20 – 40 км.
Субокеанический тип земной коры приурочен к котловинным частям окраинных и внутриконтинентальных морей (Охотское, Японское, Средиземное, Черное и др.) . По строению близок к океаническому, но отличается повышенной мощностью осадочного слоя.
1 – ый верхний – 4 – 10 и более км. , располагается непосредственно на третьем океаническом слое мощностью 5 – 10 км.
Суммарная мощность земной коры – 10 – 20 км. , местами до 25 – 30 км. за счет увеличения осадочного слоя.
Своеобразное строение земной коры отмечается в центральных рифтовых зонах срединно – океанических хребтов (срединно – атлантический) . Здесь, под вторым океаническим слоем располагается линза (или выступ) низкоскоростного вещества (V = 7,4 – 7,8 км / с) . Предполагают, что это либо выступ аномально разогретой мантии, или смесь корового и мантийного вещества.
Ответ от Невропатолог
[гуру]
ни одного
Ответ от Порося
[гуру]
Виды земной коры.
Оболочка Земли включает земную кору и верхнюю часть мантии. Поверхность земной коры имеет большие неровности, главные из которых - выступы материков и их понижения - огромные океанические впадины. Существование и взаимное расположение материков и океанических впадин связано с различиями в строении земной коры.
Материковая земная кора. Она состоит из нескольких слоев. Верхний - слой осадочных горных пород. Мощность этого слоя до 10-15 км. Под ним залегает гранитный слой. Горные породы, которые его слагают, по своим физическим свойствам сходны с гранитом. Толщина этого слоя от 5 до 15 км. Под гранитным слоем располагается базальтовый слой, состоящий из базальта и горных пород, физические свойства которых напоминают базальт. Толщина этого слоя от 10 км до 35 км. Таким образом, общая толщина материковой земной коры достигает 30-70 км.
Океаническая земная кора. Она отличается от материковой коры тем, что не имеет гранитного слоя или он очень тонок, поэтому толщина океанической земной коры всего лишь 6-15 км.
Для определения химического состава земной коры доступны только ее верхние части - до глубины не более 15-20 км. 97,2% от всего состава земной коры приходится на: кислород - 49,13%, алюминий - 7,45%, кальций - 3,25%, кремний - 26%, железо - 4,2%, калий - 2,35%, магний - 2,35%, натрий - 2,24%.
Строение материковой и океанической земной коры.
На другие элементы таблицы Менделеева приходится от десятых до сотых долей процента.
Большинство ученых полагают, что сначала на нашей планете появилась кора океанического типа. Под влиянием процессов, происходивших внутри Земли, в земной коре образовались складки, то есть горные участки. Толщина коры увеличивалась. Так образовались выступы материков, то есть начала формироваться материковая земная кора.
В последние годы в связи с исследованиями земной коры океанического и материкового типа создана теория строения земной коры, которая основана на представлении о литосферных плитах. Теория в своем развитии опиралась на гипотезу дрейфа материков, созданную в начале XX века немецким ученым А. Вегенером.
И.М. Капитонов
Ядерное тепло Земли
Земное тепло
Земля – довольно
сильно нагретое тело и является источником
тепла. Она нагревается, прежде всего,
за счёт поглощаемого ею солнечного
излучения. Но Земля имеет и собственный
тепловой ресурс сопоставимый с получаемым
теплом от Солнца. Считается, что эта
собственная энергия Земли имеет следующее
происхождение. Земля возникла около
4.5 млрд лет назад вслед за образованием
Солнца из вращающегося вокруг него и
уплотняющегося протопланетного
газо-пылевого диска. На раннем этапе
своего формирования происходил разогрев
земной субстанции за счёт сравнительно
медленного гравитационного сжатия.
Большую роль в тепловом балансе Земли
играла также энергия, выделявшаяся при
падении на неё мелких космических тел.
Поэтому молодая Земля была расплавленной.
Остывая, она постепенно пришла к своему
нынешнему состоянию с твёрдой поверхностью,
значительная часть которой покрыта
океаническими и морскими водами. Этот
твёрдый наружный слой называют земной
корой
и в
среднем на участках суши его толщина
около 40 км, а под океаническими водами
– 5-10 км. Более глубокий слой Земли,
называемый мантией
,
также состоит из твёрдого вещества. Он
простирается на глубину почти до 3000 км
и в нём содержится основная часть
вещества Земли. Наконец самая внутренняя
часть Земли – это её ядро
.
Оно состоит из двух слоёв – внешнего и
внутреннего. Внешнее
ядро
это слой
расплавленного железа и никеля при
температуре 4500-6500 K
толщиной 2000-2500 км. Внутреннее
ядро
радиусом
1000-1500 км представляет собой нагретый
до температуры 4000-5000 K
твёрдый железо-никелевый сплав плотностью
около 14 г/см 3 ,
возникший при огромном (почти 4 млн
бар) давлении.
Помимо
внутреннего тепла Земли, доставшегося
её в наследство от самого раннего
горячего этапа её формирования, и
количество которого должно уменьшаться
со временем, существует и другой, –
долговременный, связанный с радиоактивным
распадом ядер с большим периодом
полураспада – прежде всего, 232 Th,
235 U,
238 U
и 40 K.
Энергия, выделяющаяся в этих распадах
– на их долю приходится почти 99% земной
радиоактивной энергии – постоянно
пополняет тепловые запасы Земли.
Вышеперечисленные ядра содержатся в
коре и мантии. Их распад приводит к
нагреву как внешних, так и внутренних
слоёв Земли.
Часть
огромного тепла, содержащегося внутри
Земли, постоянно выходит на её поверхность
часто в весьма масштабных вулканических
процессах. Тепловой поток, вытекающий
из глубин Земли через её поверхность
известен. Он составляет (47±2)·10 12
Ватт ,
что эквивалентно теплу, которое могут
генерировать 50 тысяч атомных электростанций
(средняя мощность одной АЭС около 10 9
Ватт). Возникает вопрос, играет ли
какую-либо существенную роль радиоактивная
энергия в полном тепловом бюджете Земли
и если играет, то какую? Ответ на эти
вопросы долгое время оставался
неизвестным. В настоящее время появились
возможности ответить на эти вопросы.
Ключевая роль здесь принадлежит нейтрино
(антинейтрино), которые рождаются в
процессах радиоактивного распада ядер,
входящих в состав вещества Земли и
которые получили название гео-нейтрино
.
Гео-нейтрино
Гео-нейтрино – это объединённое название нейтрино или антинейтрино, которые испускаются в результате бета-распада ядер, расположенных под земной поверхностью. Очевидно, что благодаря беспрецедентной проникающей способности, регистрация именно их (и только их) наземными нейтринными детекторами может дать объективную информацию о процессах радиоактивного распада, происходящих глубоко внутри Земли. Примером такого распада является β − -распад ядра 228 Ra, которое является продуктом α-распада долгоживущего ядра 232 Th (см. таблицу):
Период
полураспада (T 1/2)
ядра
228 Ra равен
5.75 лет, выделяющаяся энергия составляет
около 46 кэВ. Энергетический спектр
антинейтрино непрерывен с верхней
границей близкой к выделяющейся энергии.
Распады
ядер
232 Th,
235 U,
238 U представляют
собой цепочки последовательных распадов,
образующих так называемые радиоактивные
ряды
. В таких
цепочках α-распады
перемежаются
β − -распадами,
так как при α-распадах
конечные ядра оказываются смещёнными
от линии β-стабильности
в область ядер, перегруженных нейтронами.
После цепочки последовательных распадов
в конце каждого ряда образуются стабильные
ядра с близким или равным магическим
числам количеством протонов и нейтронов
(Z
=
82, N
=
126). Такими конечными ядрами являются
стабильные изотопы свинца или висмута.
Так распад
T 1/2
завершается
образованием дважды магического ядра
208 Pb, причем
на пути
232 Th → 208 Pb
происходит шесть
α-распадов,
перемежающихся четырьмя β − -распадами
(в цепочке 238 U → 206 Pb
восемь α-
и шесть
β − -распадов;
в цепочке 235 U → 207 Pb семь
α-
и четыре
β − -распада).
Таким образом, энергетический спектр
антинейтрино от каждого радиоактивного
ряда представляет собой наложение
парциальных спектров от отдельных β − -распадов,
входящих в состав этого ряда. Спектры
антинейтрино, образующихся в распадах
232 Th,
235 U,
238 U, 40 K,
показаны на рис. 1. Распад 40 K
это однократный β − -распад
(см. таблицу). Наибольшей энергии (до
3.26 МэВ) антинейтрино достигают в распаде
214 Bi → 214 Po,
являющемся звеном радиоактивного ряда
238 U.
Полная энергия, выделяющаяся при
прохождении всех звеньев распада ряда
232 Th → 208 Pb, равна
42.65 МэВ. Для радиоактивных рядов 235 U
и
238 U эти
энергии соответственно 46.39 и 51.69 МэВ.
Энергия, освобождающаяся в распаде
40 K → 40 Ca,
составляет 1.31 МэВ.
Характеристики ядер 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K
| Ядро | Доля в % в смеси изотопов |
Число ядер относит. ядер Si |
T 1/2 , млрд лет |
Первые
звенья распада |
|---|---|---|---|---|
| 232 Th | 100 | 0.0335 | 14.0 | |
| 235 U | 0.7204 | 6.48·10 -5 | 0.704 | |
| 238 U | 99.2742 | 0.00893 | 4.47 | |
| 40 K | 0.0117 | 0.440 | 1.25 |
 |
Оценка потока гео-нейтрино, сделанная на основе распада ядер 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K, содержащихся в составе вещества Земли, приводит к величине порядка 10 6 см -2 сек -1 . Зарегистрировав эти гео-нейтрино, можно получить информацию о роли радиоактивного тепла в полном тепловом балансе Земли и проверить наши представления о содержании долгоживущих радиоизотопов в составе земного вещества.
Рис. 1. Энергетические
спектры антинейтрино от распада ядер
232 Th, 235 U, 238 U, 40 K, нормализованные к одному распаду родительского ядра
Для регистрации электронных антинейтрино используется реакция
P → e + + n, (1)
в которой собственно и была открыта эта частица. Порог этой реакции 1.8 МэВ. Поэтому только гео-нейтрино, образующиеся в цепочках распада, стартующих с ядер 232 Th и 238 U, могут быть зарегистрированы в вышеуказанной реакции. Эффективное сечение обсуждаемой реакции крайне мало: σ ≈ 10 -43 см 2 . Отсюда следует, что нейтринный детектор с чувствительным объёмом 1 м 3 будет регистрировать не более нескольких событий в год. Очевидно, что для уверенной фиксации потоков гео-нейтрино необходимы нейтринные детекторы большого объёма, размещённые в подземных лабораториях для максимальной защиты от фона. Идея использовать для регистрации гео-нейтрино детекторы, предназначенные для изучения солнечных и реакторных нейтрино, возникла в 1998 г. . В настоящее время имеется два нейтринных детектора большого объёма, использующих жидкий сцинтиллятор и пригодные для решения поставленной задачи. Это нейтринные детекторы экспериментов KamLAND (Япония, ) и Borexino (Италия, ). Ниже рассматривается устройство детектора Borexino и полученные на этом детекторе результаты по регистрации гео-нейтрино.
Детектор Borexino и регистрация гео-нейтрино
Нейтринный детектор Борексино расположен в центральной Италии в подземной лаборатории под горным массивом Гран Сассо, высота горных пиков которого достигает 2.9 км (рис. 2).
Рис.
2. Схема расположения нейтринной
лаборатории под
горным массивом
Гран Сассо (центральная Италия)
Борексино
это несегментированный массивный
детектор, активной средой которого
являются
280 тонн органического жидкого
сцинтиллятора. Им заполнен нейлоновый
сферический сосуд диаметром 8.5 м (рис.
3). Сцинтиллятором является псевдокумол
(С 9 Н 12)
со сдвигающей спектр добавкой РРО (1.5
г/л). Свет от сцинтиллятора собирается
2212 восьмидюймовыми фотоумножителями
(ФЭУ), размещёнными на сфере из нержавеющей
стали (СНС).
Рис.
3. Схема устройства детектора Борексино
Нейлоновый
сосуд с псевдокумолом является внутренним
детектором, в задачу которого и входит
регистрация нейтрино (антинейтрино).
Внутренний детектор окружён двумя
концентрическими буферными зонами,
защищающими его от внешних гамма-квантов
и нейтронов. Внутренняя зона заполнена
несцинтиллирующей средой, состоящей
из 900 тонн псевдокумола с добавками
диметилфталата, гасящими сцинтилляции.
Внешняя зона располагается поверх СНС
и является водным черенковским детектором,
содержащим 2000 тонн сверхчистой воды и
отсекающим сигналы от мюонов, попадающих
в установку извне. Для каждого
взаимодействия, происходящего во
внутреннем детекторе, определяется
энергия и время. Калибровка детектора
с использованием различных радиоактивных
источников позволила весьма точно
определить его энергетическую шкалу и
степень воспроизводимости светового
сигнала.
Борексино
является детектором очень высокой
радиационной чистоты. Все материалы
прошли строгий отбор, а сцинтиллятор
был подвергнут очистке для максимального
уменьшения внутреннего фона. Вследствие
высокой радиационной чистоты Борексино
является прекрасным детектором для
регистрации антинейтрино.
В
реакции (1) позитрон даёт мгновенный
сигнал, за которым через некоторое время
следует захват нейтрона ядром водорода,
что приводит к появлению γ-кванта
с энергией 2.22 МэВ, создающего сигнал,
задержанный относительно первого. В
Борексино время захвата нейтрона около
260 мкс. Мгновенный и задержанный сигналы
коррелируют в пространстве и во времени,
обеспечивая точное распознавание
события, вызванного
e .
Порог
реакции (1) равен 1.806 МэВ и, как видно из
рис. 1, все гео-нейтрино от распадов 40 K
и
235 U
оказываются ниже
этого порога и лишь часть гео-нейтрино,
возникших в распадах 232 Th
и
238 U,
может быть зарегистрирована.
Детектор
Борексино впервые зарегистрировал
сигналы от гео-нейтрино в 2010 г. и недавно
опубликованы новые результаты, основанные
на наблюдениях в течение 2056 дней в период
с декабря 2007 г. по март 2015 г. Ниже мы
приведём полученные данные и результаты
их обсуждения, основываясь на статье
.
В
результате анализа экспериментальных
данных были идентифицированы 77 кандидатов
в электронные антинейтрино, прошедшие
все критерии отбора. Фон от событий,
имитирующих
e ,
оценивался величиной
. Таким
образом, отношение сигнал/фон было ≈100.
Главным
источником фона были реакторные
антинейтрино. Для Борексино ситуация
была достаточно благоприятной, так как
вблизи лаборатории Гран Сассо нет
ядерных реакторов. Кроме того, реакторные
антинейтрино более энергичные по
сравнению с гео-нейтрино, что позволяло
отделить эти антинейтрино по величине
сигнала от позитрона. Результаты анализа
вкладов гео-нейтрино и реакторных
антинейтрино в полное число
зарегистрированных событий от
e
показаны на рис. 4. Количество
зарегистрированных гео-нейтрино,
даваемое этим анализом (на рис. 4 им
соответствует затемнённая область),
равно 
. В
извлечённом в результате анализа спектре
гео-нейтрино видны две группы – менее
энергичная, более интенсивная и более
энергичная, менее интенсивная. Эти
группы авторы описываемого исследования
связывают с распадами соответственно
тория и урана.
В
обсуждаемом анализе использовалось
отношение масс тория и урана в веществе
Земли
m(Th)/m(U) = 3.9 (в
таблице эта величина ≈3.8).
Указанная цифра отражает относительное
содержание этих химических элементов
в хондритах – наиболее распространённой
группе метеоритов (более 90% метеоритов,
упавших на Землю, относятся к этой
группе). Считается, что состав хондритов
за исключением лёгких газов (водород и
гелий) повторяет состав Солнечной
системы и протопланетного диска, из
которого образовалась Земля.
Рис.
4. Спектр
светового выхода от позитронов в единицах
числа фотоэлектронов
для событий-кандидатов в антинейтрино (экспериментальные
точки). Затемнённая область – вклад гео-нейтрино.
Сплошная линия – вклад реакторных
антинейтрино.