Методы изучения внутреннего строения земли. Границы поверхностей раздела внутренних геосфер.

При исследовании внутреннего строения нашей планеты чаще всего проводят визуальные наблюдения естественных и искусственных обнажений горных пород, бурение скважин и сейсмическую разведку.

Обнажение горных пород – это выход пород на земную поверхность в оврагах, долинах рек, карьерах, шахтных выработках, на склонах гор. Породы в обнажении обычно скрыты тонким слоем осыпи, поэтому прежде всего его очищают от лишнего материала. При изучении обнажения обращают внимание на то, какими породами оно сложено, каковы состав и мощность этих пород, порядок их залегания. Обнажение тщательно описывают, зарисовывают или фотографируют. Из каждого пласта берут пробы для дальнейшего изучения в лаборатории. Лабораторный анализ проб необходим для того, чтобы определить химический состав пород, их происхождение и возраст.

Бурение скважин позволяет глубже проникнуть в толщу Земли. При бурении извлекают образцы пород – керн. А затем на основании изучения керна определяют состав, строение, залегание пород и строят чертеж пробуренной толщи – геологический разрез местности. Сопоставление многих разрезов дает возможность установить, как залегают породы, и составить геологическую карту территории.

При изучении внутреннего строения Земли особенно велико значение глубоких и сверхглубоких скважин. Самая глубокая скважина находится на Кольском полуострове, где бур достиг отметки более 12 км.

Недостаток и наблюдения обнажений и буровых работ состоят в том, что они позволяют изучить только тонкую пленку земной поверхности. Так, глубина даже Кольской сверхглубокой скважины составляет менее 0,25 % радиуса Земли.

Сейсмический метод дает возможность «проникнуть» на большие глубины.

В основе этого метода лежит представление о том, что сейсмические волны (от греческого сейсмос – волна, колебание) в средах разной плотности распространяются с неодинаковой скоростью: чем плотнее среда, тем больше скорость. На границе двух сред часть волн отражается и подобно кругам на воде идет обратно, а другая – распространяется дальше.

Искусственно возбуждая волны на поверхности Земли путем взрывов, сейсмологи фиксируют время, за которое отраженные волны вернулись назад. Для этих целей применяется прибор-самописец – сейсмограф.

Различают два вида сейсмических волн – продольные и поперечные. Продольные распространяются во всех средах – твердых, жидких и газообразных, а поперечные – только в твердой среде.

Зная, с какой скоростью распространяются волны в песках, глинах, гранитах, базальтах и других породах, по времени их прохождения «туда и обратно» можно определить глубину залегания пород, различающихся по плотности.

В твердом теле Земли выделяют три оболочки: центральную - ядро, промежуточную - мантию и наружную - земную кору.

В настоящее время имеются разнообразные представления о внутреннем строении и составе Земли. Наиболее совершенной моделью строения Земли признана модель Гутенберга-Буллена:

Ядро – внутренняя, наиболее плотная оболочка Земли. Резкое изменение скорости распространения продольных волн (с 13,6 до 8,1 км/с), затухание поперечных волн и появление высокой электропроводности свидетельствуют об изменении агрегатного состояния вещества. На основании сейсмических данных, и измерения собственных крутильных колебаний Земли (обнаружено отсутствие сцепления между мантией и ядром) полагают, что внешнее ядро находится в состоянии, приближающемся к жидкому. На границе мантия - ядро, видимо, температура достигает 2500-3000°С, а давление около 300 ГПа. В пределах внутреннего ядра скорость продольных волн вновь возрастает, и вещество, по-видимому, находится в твердом состоянии. Химический состав внешнего и внутреннего ядра приблизительно одинаков – железо-никелевый, близкий, видимо, к составу железных метеоритов. По преобладающим компонентам (Ni-Fe) эту оболочку называют “нифе”.

Мантия – это самая крупная промежуточная оболочка Земли, заключенная между поверхностью Мохоровичича сверху и границей Вихерта-Гутенберга внизу. Масса мантии составляет около 2/3 массы Земли. О составе вещества мантии имеются лишь гипотетические предположения.

Верхняя мантия характеризуется наличием вертикальных и горизонтальных неоднородностей. Строение этого слоя под континентальными и океаническими структурами существенно отличается. Установлено, что на глубине, которая в океанах близка к 50 км, а на материках колеблется между 80-120 км, начинается слой пониженных сейсмических скоростей, ограниченный сверху и снизу средой с большими сейсмическими скоростями. В этом слое упругая волна распространяется как в канале, поэтому и слой называется сейсмическим волноводом, или астеносферой (т.е. геосферой "без прочности"), исходя из повышенной пластичности, размягченности слагающего вещества. Под океанами волновод распространяется вглубь до 300-400 км, а под материками его толщина 100-150 км.

Земную кору с верхней частью мантии, включая астеносферу, объединяют в тектоносферу (В.В. Белоусов).

Промежуточный слой и нижняя мантия по сейсмическим характеристикам являются более гомогенными средами, чем верхняя мантия. В зоне С до глубины около 600 км отмечается быстрое увеличение скоростисейсмических волн, а затем постепенное снижение. В зоне D скорость остается практически постоянной до раздела Вихерта-Гутенберга (рисунок1,4).

На границе земная кора - мантия температура превышает 1000° С, давление 2000 МПа.

Земная кора - это верхняя каменная оболочка Земли, сложенная магматическими, метаморфическими и осадочными породами и имеющая мощность от 7 до 70-80 км. Нижняя граница земной коры как бы зеркально повторяет поверхность Земли. Под материками она глубоко опускается в мантию, под океанами приближается к поверхности Земли.

Литосфера - это верхняя каменная оболочка Земли, включающая, в отличие от тектоносферы, земную кору и верхнюю мантию до кровли астеносферы.

Вертикальная неоднородность. Сейсмическими исследованиями в строении земной коры выделены три оболочки, сложенные различными по составу, свойствам и происхождению горными породами.

1) Стратосфера(лат. "стратум" - слой) сложена осадочными и вулканогенно-осадочными породами: глинами и глинистыми сланцами (42%), песчаными (20%), вулканогенными (19%) и карбонатными (19%) породами. Слой покрывает почти всю поверхность Земли и в глубоких впадинах достигает мощности 20-25 км (в среднем 3 км).

2) Гранитная (гранито-гнейсовая, гранито-метаморфическая) оболочка, названная так по сходству свойств образующих ее пород со свойствами гранитов, сложена гнейсами (37,6 %), гранодиоритами, диоритами (19,9 %), гранитами (18,1 %), амфиболитами (9,8 %), кристаллическими сланцами (9,0 %), а также габбро, мраморами, сиенитами и др.

Возможно полное отсутствие слоя в разрезе. Нижней границей гранитного слоя является сейсмический раздел Конрада.

3) Базальтовая оболочка - состоит из более тяжелых кристаллических пород, которые по своим свойствам близки земным базальтам - магматическим породам. Слой сложен магматическими породами различной степени метаморфизма.

Горизонтальная неоднородность. Площадная неоднородность строения земной коры проявляется, прежде всего, в различном строении ее на континентах (материках) и в пределах океанических впадин. Участки земной коры, различающиеся типом геологического строения, называются структурными элементами.

С точки зрения закономерностей пространственного строения океаны и континенты – это структуры I (планетарного) порядка, существенно отличающиеся геологическим строением и характером развития. Выделяют также кору переходного типа: субокеаническую и субконтинентальную.

В пределах структурных элементов I порядка по особенностям геологического строения и развития выделяются структуры II порядка: на материках – платформенные и геосинклинальные (горноскладчатые) области, на океанической коре – платформы и срединно-океанические хребты. В свою очередь названные структуры могут быть разделены по особенностям строения на более мелкие структурные элементы (более высоких порядков): глобальные, региональные и локальные.