Внутренние оболочки земли
Прямые свидетельства глубинного строения земных недр относятся к небольшим глубинам. Они получены в процессе изучения естественных разрезов (обнажений) горных пород, разрезов карьеров, шахт и буровых скважин.
Самая глубокая в мире скважина на Кольском полуострове углубилась в недра на 12 с небольшим километров. Это составляет всего лишь 0,2% радиуса Земли. Продукты вулканических извержений дают возможность судить о температуре и составе вещества на глубинах 50-100 км. Однако, несмотря на это, благодаря достижениям научно-технического прогресса, мы уже многое знаем о глубинном строении земных недр.
В 80-е гг. XIX в. австрийский геолог Эдуард Зюсс (1831-1914) впервые высказал мысль о том, что Земля, подобно луковице, состоит из концентрических оболочек и плотного ядра. Данные сейсмологии подтвердили это.
Сейсмическая модель Земли. Австралийский сейсмолог К. Буллен, основываясь на скорости распространения сейсмических волн, разделил земные недра на ряд слоев, обозначенных заглавными буквами латинского алфавита: A, B, C, D, E, F, G (см. рис. 18). Получилась сейсмическая модель Земли, В этой модели слой A (0-35 км) - земная кора. Слои В (35-400 км) и C (400-1000 км) соответствуют верхней мантии; слой D (1000-2900 км) - нижней мантии. Слои E (2900-4980 км), F (4980-5120 км) и G (5120-6371 км) образуют ядро Земли.
Рис. 18. Слои в Земле. М- граница Мохоровичича
Земная кора - это верхняя каменная оболочка Земли. Ее толщина составляет 5-7 км в океанах, 35-40 км на равнинных территориях континентов и до 50-70 км под горными сооружениями. Объем земной коры составляет 1,5% объема всей Земли. Скорость прохождения в земной коре продольных сейсмических волн достигает 6,5-7,2 км/с.
При переходе к слою B скорость распространения продольных волн скачкообразно изменяется до 8,0-8,2 км/с. Первым эту сейсмическую границу установил хорватский геофизик Андрия Мохоровичич, изучивший в 1909 г. сейсмограмму сильного Балканского землетрясения. Он обратил внимание на то, что на глубине 30 км скорость сейсмических волн существенно возросла. Этот сейсмический раздел и был принят за нижнюю границу земной коры. Впоследствии эта граница получила название раздела Мохоровичича (или коротко - Мохо, или М).
В земной коре материков по скорости распространения сейсмических волн выделяют три “слоя”: верхний - осадочный, средний - гранитный и нижний - базальтовый. Они различаются физическими свойствами, химическим и минеральным составом.
Единого мнения о химическом составе земных недр среди ученых не существует. Но на основании косвенных данных предполагается, что базальтовый и гранитный слои представлены не только базальтами и гранитами, но и другими магматическими и метаморфическими породами.
“Базальтовый” слой назван так потому, что скорости прохождения через него продольных сейсмических волн (6,5-7,2 км/с) соответствуют получаемым в лабораторных условиях скоростям упругих колебаний в базальтах.
В “гранитном” слое скорость продольных сейсмических волн (5,5-6,3 км/с) совпадает со скоростью упругих колебаний, полученных для гранитных пород. Осадочный слой сложен продуктами разрушения пород “гранитного” слоя и самого осадочного слоя. Он покрывает почти всю поверхность Земли и представлен песчаниками, глинами, известняками и другими осадочными породами. Скорость распространения продольный сейсмических волн в осадочном слое составляет 2,0-5,5 км/с. На континентах в глубоких впадинах его мощность (толщина) достигает 20-25 км (например, Прикаспийская впадина). Толщина “гранитного” слоя достигает в среднем 15 км. В некоторых районах, например в России на Кольском полуострове, в Финляндии и др., “гранитный” слой выходит на поверхность и доступен для непосредственного изучения. Базальтовый слой, по оценкам, достигает 20-35 км.
Существуют резкие различия в мощности, составе строении и возрасте земной коры континентальных и океанических областей.
В океанах мощность земной коры достигает 5-9 км. Здесь выделяют три “слоя”. Осадочный слой состоит из неуплотненных осадков мощностью до 1 км. Скорость распространения продольных сейсмических волн в них достигает 2,0-2,5 км/с. Второй слой, вскрытый под осадочным покровом бурением, сложен базальтами с прослойками карбонатных и кремнистых пород. Его мощность составляет 1-3 км Скорость распространения продольных сейсмических волн 3,5-4,5 км/с. Образцы горных пород нижнего слоя отобраны со дна океана драгами. Этот слой представлен основными магматическими породами (габбро) с подчиненными ультраосновными породами (серпентиниты, пироксениты). ПО сейсмическим данным, его мощность составляет 3:5-5,0 км. Скорость продольных сейсмических волн 6,3-6,7 км/с. «Гранитный» слой в разрезе земной коры океанов отсутствует (рис. 19).
Рис. 19. Схема строения земной коры континентов и океанов
Толщина базальтового слоя в океанах не превышает 5,0-6,0 км. Верхняя часть его вскрыта рядом глубоких скважин, В нескольких местах бурением обнаружено переслаивание базальтов и затвердевших осадков.
Мантия Земли распространяется до глубины 2900 км и составляет 82,3% объема Земли. О ее строении и составе могут быть высказаны лишь гипотетические предположения. Они основаны на сейсмологических данных и материалов экспериментального моделирования физико-химических процессов, происходящих в недрах при высоких давлениях и температурах. Скорость продольных сейсмических волн в мантии нарастает до 13,6 км/с, поперечных - до 7,2-7,3 км/с. (рис. 20).
Рис. 20. Сейсмическая модель Земли.
Р- продольные сейсмические волны; S – поперечные сейсмические волны
Считается, что верхняя мантия сложена ультраосновными породами, главным образом перидотитом. Перидотит на 80% состоит из минерала оливина (Mg, Fe)2[SiO4] и из пироксена (Mg, Fe)2[Si2O6]. По мнению некоторых ученых, резкое изменение плотности на границе земной коры и мантии связано с изменением химического состава вещества: переходом базальтов земной коры в перидотиты верхней мантии. Другие ученые предполагают изменение на этой границе не химического состава, а агрегатного состояния горных пород. Они считают, что ниже раздела Мохо базальты земной коры переходят в эклогиты. Это породы, близкие базальтам по химическому составу, но в значительной степени метаморфизированные, более плотные и обогащенные гранатом. Возможность подобного метаморфоза подтверждается следующим примером. Углерод, из которого делаются грифели для карандашей, представляет собой простой графит, пока его плотность составляет 2 т/м3.Но тот же углерод на больших глубинах, в условиях огромных давлений и температур, претерпевает фазовый переход, уплотняется до 3,5 т/м3 и переходит в алмаз.
В 1914 году американский геолог Джозеф Баррел высказал идею, что в мантии существует пластичная оболочка, сложенная разогретым веществом. Он назвал ее астеносферой (греч. астенос - слабый, сфера - шар).
В 1926 г. немецкий геофизик Бено Гутенберг (1889-1960), изучая прохождение сейсмических волн, установил, что в верхней мантии действительно существует зона, где скорость поперечных волн уменьшается на 3-5%. Ее стали называть астеносферой. Предполагается, что доля расплавленных пород в ней, возможно, составляет всего 1-3%. Но благодаря этому, астеносфера обладает пластичностью, меньшей вязкостью, текучестью. Получены указания на то, что это не сплошная оболочка, а отдельные прерывистые астенолинзы. Под рифтами средино-океанических хребтов астеносфера расположена местами на глубине 2-3 км от поверхности дна.
Залегающую выше астеносферы твердую плотную оболочку (включая земную кору) стали называть, как это предложил Дж. Баррел, литосферой (греч. литос - камень).
Ядро Земли подразделяется на внешнее - слой E (2900-4980 км), переходную зону - слой F (4980-6120 км) и внутреннее ядро - слой G (до 6371 км). Ядро составляет 16,2% ее объема и 1/3 массы. Оно, видимо, сжато у полюсов на 10 км. На границе мантии и ядра (2900 км) происходит скачкообразное понижение скорости продольных волн с 13,6 до 8,1 км/с. Поперечные волны ниже этой границы раздела не проникают. Ядро не пропускает их сквозь себя. Это дало повод сделать вывод, что во внешней части ядра вещество находится в жидком (расплавленном) состоянии. Ниже границы мантии и ядра скорость продольных волн вновь нарастает - до 10,4 км/с. На границе внешнего и внутреннего ядра (5120 км) скорость продольных волн достигает 11,1 км/с, а потом до центра Земли почти не изменяется.
На этом основании предполагается, что с глубины 5080 км вещество ядра вновь приобретает свойства очень плотного тела, и выделяется твердое внутреннее “ядрышко” радиусом 1290 км. По мнению одних ученых, земное ядро состоит из никелистого железа. Другие утверждают, что железо, кроме никеля содержит примесь легких элементов - кремния, кислорода, возможно серы и др.