Глава 3. ЛИТОСФЕРА – ТВЕРДАЯ ОБОЛОЧКА ЗЕМЛИ

«… только комплексное изучение

структуры и процессов физико-

географической оболочки земного шара, только исследование их как частей единого великого целого открывает перед нами путь к глубокому проникновению в понимание явлений природы…»

А.А. Григорьев

Строение Земли

Обратимся к третьему агрегатному состоянию Земли – твердому. Начнем с рассмотрения строения Земли – внутренней структуры [10, 68].

Наши представления о внутренней структуре земного шара стали приобретать более или менее реальные очертания только после изобретения сейсмографа в середине XIX в., хотя приборы для регистрации землетрясений, основанные на наблюдении колебаний маятника, были известны еще древним китайцам в начале нашей эры.

Сейчас во всем мире работает более 2 000сейсмических станций, регистрирующих примерно 100 000землетрясений в год, большинство из которых люди просто не замечают. Но примерно одно из них приводит к катастрофическим последствиям и жертвам.

Усилия ученых, направленные на изучение природы и причин землетрясения и создание приборов для их регистрации, в конечном счете привели к достаточно точным представлениям о внутреннем строении Земли.

В 1897 г. немецкий геофизик Эмиль Вихерт выдвинул гипотезу о существовании у Земли плотного металлического ядра. В середине ХХI в. эта гипотеза нашла подтверждение при обработке результатов сейсмограмм, а в последнее время – при измерении гравитационного поля Земли с помощью спутников.

Эти измерения позволили определить момент инерции Земли, величина которого сильно зависит от распределения плотности вещества по радиусу планеты.

Наличие жидкого ядра Земли было подтверждено в конце 60-х гг. ХХ столетия путем обнаружения небольших колебаний полюсов земного шара, возникающих после сильных землетрясений (например, Чилийского в 1960 г. и Аляскинского в 1964 г.), а также в результате возмущений, вызванных суточными лунными приливными волнами.

В 1982 г. А. Чандлер установил, что колебания земной оси имеют период 430 суток. Расчетное значение периода колебаний твердой Земли не может превосходить 305 суток. Расчеты показывают, что в случае полностью твердой Земли частота ее колебаний должна быть выше, чем частота колебаний шара с жидкой сердцевиной, что и подтверждают результаты точных измерений.

Полученные в результате измерений данные за последние 30 лет были обобщены и уверенно показывают, что наша планета расслоена на концентрические оболочки: твердое металлическое внутреннее ядро с плотностью r ~ 3 г/см³, жидкое внешнее ядро с плотностью r ~ 9,5–11 г/см³, нижнюю мантию с плотностью r ~ 5 г/см³, верхнюю мантию с плотностью r ~ 3,56 г/см³, кору с плотностью r ~ 2,8 г/см³. Схема внутреннего строения Земли приведена на рис. 10.

Рис. 10. Схема внутреннего строения Земли

В последней четверти ХХ в. появились гипотезы о том, что скорости вращения внутреннего ядра и нижней мантии различны. Твердая оболочка Земли поворачивается относительно ядра. Это приводит к потере момента количества движения оболочки за счет вязкого трения в жидком внешнем ядре и должно влиять на изменение продолжительности суток.

Точные измерения, выполненные с помощью квантовых стандартов частоты, показали, что, действительно, длительность земных суток уменьшается на 1 микросекунду за 10 лет. Было показано, что эти изменения не связаны с приливным торможением вращения Земли в результате гравитационного взаимодействия системы Луна–Земля, т.е. оболочка Земли вращается с меньшей угловой скоростью, чем твердое внутреннее ядро.

Надо отметить, что приливное взаимодействие системы Земля–Луна оказывает существенное влияние на перемешивание масс вещества в нижних оболочках Земли и вулканические процессы.

Существование вращающегося жидкого ядра Земли, в соответствии с гипотезой Лармора, приводит к возникновению у Земли составляющей магнитного поля, не связанного с влиянием на него токов в магнитосфере, обусловленных ионизацией верхних слоев атмосферы Земли корпускулярным и ультрафиолетовым излучением Солнца.

Землю нельзя рассматривать, как полностью сформировавшееся неэволюционирующее космическое тело. За время своей геологической истории почти в 5 млрд. лет как внутреннее ее строение, так и поверхность и атмосфера претерпели существенные изменения.

Охарактеризуйте в цифровом выражении мантию Земли…

[1] на долю мантии приходится 41 % массы Земли: верхняя мантия до глубины 950 км и нижняя – до 2900 км

[2] на долю мантии приходится 67 % массы Земли: верхняя мантия на глубине 400 км и нижняя до 3500 км;

[3] на долю мантии приходится 67,8 % массы Земли: верхняя мантия до глубины 950 км и нижняя – до 2870 км.

Ядро и мантия

К настоящему времени прямых данных о составе Земли нет, поэтому большинство геолого-геохимических построений имеет характер в различной мере обоснованных гипотез. Часть их базируется на результатах геофизических исследований и законе всемирного тяготения [3, 179].

Согласно сейсмическим данным предполагается, что внешняя часть ядра – до глубин 5 000 км – жидкая, внутренняя – твердая с плотностью 12–13 г/см³. По одной из гипотез ядро состоит из Fe и Ni в соотношении 9:1.

В виде примеси в нем могут находиться Si, C, Al, O, на долю которых приходится около 1 %. Такое содержание элементов примерно соответствует составу железных метеоритов. Большая часть примесей должна находиться во внешнем ядре. Давление в ядре достигает 3,6×10¹¹ Па, а температура – порядка 4000–5000^о. Его радиус составляет 3500 км.

По представлениям А.Ф. Капустинского, огромное давление, существующее в ядерной зоне Земли, должно приводить к обособлению ядер всех элементов от электронов, образующих общую «электронную плазму». При таком развитии процессов исчезают различия между химическими элементами, и ядро образует «зону нулевого химизма». В нижней части мантии электроны «вдавливаются» во внутренние, незаполненные орбитали. Возникает зона «вырожденного химизма», в которой при силикатном составе вещество близко к металлическому состоянию. Обычные химические свойства проявляются у элементов только в верхних частях мантии и земной коре.

Граница нижней мантии с ядром проходит на глубине 2 900 км. В ее составе преобладают оксиды (MgO, SiO₂, Al₂O₃, FeO), шпинели [(Mg, Fe)Al₂O₄]. Существует представление о глубинных разломах – своеобразных каналах миграции элементов, соединяющих земную кору с нижней мантией. Переходная зона располагается на глубине 400–1000 км, имеет силикатный состав.

Мантия – самая мощная из геосфер Земли и занимает 82,26 % объема планеты. В мантии сосредоточено 67,8 % массы Земли.

Для решения вопросов о составе верхней мантии, кроме имеющихся сведений о составе метеоритов и сейсмических данных, требуется непосредственное изучение выходов на поверхность пород, относимых к этой оболочке Земли, в частности ксенолитов в интрузиях глубинного происхождения. По составу верхняя мантия (а ее нижняя граница проходит на глубине 410 км) аналогична каменным метеоритам – хондритам.

В пределах верхней мантии Земли обнаружен слой, характеризующийся своеобразным состоянием вещества. Этот слой менее плотных «размягченных» горных пород, называемый астеносферой, рассматривается как слой относительно подвижного состояния вещества, что обусловлено его частичным плавлением. Слой расположен на глубинах около 100 км под континентами и около 50 км под дном океана; нижняя его граница находится на глубинах 250–350 км. Не исключена прерывность слоя. Наличие астеносферы объясняется высоким геотермическим градиентом, высокой температурой вещества астеносферы, близкой к температуре плавления и процессам релаксации. В пределах астеносферы лежат очаги питания вулканов и осуществляются изменения форм залегания, объема, внутренней структуры и взаимного расположения горных пород.

Укажите специфические свойства астеносферы…

[1] внешняя твердая оболочка земного шара; имеет сложное строение и меняется как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении;

[2] слой пониженной твердости, прочности и вязкости; вязкость 10¹⁹ – 10²³ пз; в пределах слоя происходит медленное перетекание масс в горизонтальном направлении под влиянием неравномерной нагрузки со стороны земной коры;

[3] ряд концентрических слоев различной толщины и плотности;

[4] иерархическая структура геосистем и экосистем.

3.3. Литосфера – особая область планеты

В радиальной классификации строения нашей планеты различают особую область – литосферу (от греч. lithos – камень) – внешнюю сферу Земли, включающую земную кору и верхнюю часть мантии до глубины примерно 200 км [3, 180].

Нередко же под литосферой понимают самый верхний слой земной поверхности. Верхняя оболочка Земли получила название «земная кора». Другими словами, это твердая поверхность, состоящая из двух слоев: верхнего из осадочных пород с гранитом и нижнего – базальта(рис. 11). Она имеет сложное строение и меняется как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Горные породы слагающие литосферу, в одних местах залегают горизонтально, а в других собраны в складки, разбиты глубокими трещинами, и соседние блоки часто смешаны друг относительно друга. Системы трещин нередко служат путями проникновения из глубин в литосферу магматических расплавов и рудоносных растворов.

Горные системы чередуются с равнинами на материках. Материки, в свою очередь, представляют собой приподнятые над уровнем моря участки земной коры. Пространственное расположение материков на планете В.И. Вернадский назвал «диссиметрией планеты».

Рис. 11. Схема строения земной коры

Литосфера по существу является своеобразной геосферой, отделенной от основной части мантии активным поясом астеносферы.

Земная кора имеет среднюю толщину (мощность) 33 км и состоит из твердых каменных масс (минералов и горных пород). По своему составу и мощности она не одинакова в различных ее частях.

Границу между земной корой и верхней мантией предложено проводить по так называемой границе Мохоровичича или проще Мохо (часто обозначают буквой М). Название свое она получила по имени ученого, изучавшего распространение сейсмических волн. Ниже этого раздела (границы) плотность вещества увеличивается до 3,3 г/см³ (напомним, что плотность земной коры изменяется в пределах 2,7–2,9 г/см³).

На основе различия в составе и мощности выделяют три типа земной коры: материковую, океаническую, кору переходных областей.

Материковая кора состоит из трех слоев и характеризуется неодинаковой мощностью в различных частях. Максимальная мощность этого типа земной коры характерна для горных районов, где она достигает 70–80 км. Верхний слой состоит из осадочных пород. Ниже расположен гранитный слой (средний слой), представленный магматическими и метаморфическими породами преимущественно кислого состава, то есть с преобладанием пород типа гранитов. Площадь, занимаемая щелочными породами, составляет не более 0,5%. В подошве материковой коры залегают породы типа базальтов (нижний слой). Океаническая кора значительно тоньше материковой и состоит из двух слоев. Ее минимальная мощность не превышает 5–7 км. Верхний слой земной коры здесь представлен рыхлыми глубоководными осадками. Мощность его обычно определяется в несколько сотен метров, а ниже располагается базальтовый слой мощностью в несколько километров.

Кора переходных областей, то есть областей перехода от материка к океану. Здесь выделяются два различных типа перехода от континента к океану – тихоокеанский и атлантический. Наиболее характерным признаком материковой окраины тихоокеанского типа является наличие в ней активной сейсмичности и современного вулканизма. Для атлантического типа характерны стабильные условия, вследствие чего подошва земной коры имеет более выровненный рельеф. Сейсмичность для атлантического типа не типична, за исключением участков основных дуг, которые выражены в рельефе цепочками островов (Малые Антильские острова и др.).

По оценкам вулканологов, на поверхность Земли ежегодно выносится из недр примерно 9×10¹⁵ г магмы, вулканического пепла, газов и различных паров. Вулканизм на Земле за всю ее геологическую историю был примерно на одном уровне (возможно, что на ранних стадиях эволюции он был несколько больше), то за 5 млрд. лет на поверхность Земли было вынесено 4,5×10²⁵ г вулканических материалов при плотности около 2,6 г/см³. Нетрудно подсчитать, что если всю эту массу равномерно распределить по поверхности Земли, то получится слой толщиной в 34 км [5].

Термохимические процессы, происходящие в мантии Земли, усиленные приливным перемешиванием вещества, находящегося в пластическом состоянии во внешнем ядре и верхней мантии, приводили к сжатию Земной коры и образованию горных массивов. Эти периоды активности недр перемежались с периодами спокойного состояния коры, в течение которых образовавшиеся горные области почти полностью разрушались, благодаря действию атмосферы и воды, и превращались в осадочные породы на дне морей.

Периоды горообразования геологи называют орогенными, а промежутки между ними – геосинклинальными. Продолжительность первых обычно не превышает 50–70 млн. лет, а вторых – 250–500 млн. лет. В течение последнего периода образовались такие горные массивы, как Альпы, Кавказ и Гималаи, их возраст не превышает 70–100 млн. лет. Всего около 2 % от полного возраста Земли.

Выделите особенности состава поверхности дна океана…

[1] выявлено чередование блоков магматических и метаморфических пород;

[2] происходит разуплотнение пород, что связано с процессами метаморфизма;

[3] наблюдается явление активного взаимодействия вода – порода;

[4] относительно однороден и отличается явным преобладанием океанических глин и органогенных карбонатных осадков.