1. Глубинное строение земли

Земля состоит из нескольких оболочек с различными физиче­скими свойствами, которые определяются составом вещества, а так­же давлением и температурой на той или иной глубине. По анало­гии с гидростатическим давлением в столбе воды¹ давление, вызванное весом вышележащих пород, называют литостатическим. Если плотность пород (p) постоянна, то на глубине h литостатиче-ское давление Р = pgh, где g — ускорение силы тяжести; при пере­менной плотности Р =/_o^Hpgdh. Литостатическое давление измеря­ют в барах и килобарах, а также в мега- и гигапаскалях:

бар =10⁶ дин/см² = 0.9869 атм (кг/см²) = 10⁵ Па (ныотон/м²);

килобар (кбар) = 1000 бар = 10⁸ Па = 100 Мпа;

мегапаскаль (МПа) = 10⁶ Па = 10 бар;

гигапаскаль (ГПа) = 10⁹ Па = 10 кбар.

При плотности горных пород, равной 3.3—2.5 г/см³, увеличение глубины на 3—4 км сопровождается ростом литостатического дав­ления примерно на 100 МПа (1 кбар).

Стационарный геотермический градиент вблизи поверхности Земли составляет в среднем 25 °С/км. Если бы такой градиент со­хранялся и глубже, то почти вся Земля была бы расплавленной. Сейсмические данные ясно указывают на то, что верхние оболоч­ки Земли находятся сейчас в твердом состоянии. Следовательно, ге­отермический градиент уменьшается с глубиной. Самые низкие температуры в земной коре и верхней мантии характерны для древ­них щитов и платформ на континентах, а самые высокие — для подводных срединных хребтов в океанах и активных рифтовых зон на континентах. Возможное распределение температур под конти­нентами и океанами показано на рисунке 1.1.

По изменению физических свойств с глубиной выделяются зем­ная кора, верхняя и нижняя мантия, внешнее и внутреннее ядро (табл. 1.1).

¹ Твердое вещество Земли обладает определенной прочностью — способностью выдерживать некоторую разность напряжений без разрушения или пластической де­формации. Прочность горных пород невелика. При кратковременных нагрузках она не превышает 30—100 МПа, а при длительных нагрузках становится еще мень­ше. Поэтому с течением времени напряжения в недрах Земли выравниваются, и распределение давления с глубиной становится таким же, как в столбе жидкости.

Часть III. Магматические горные породы (петрология)

1.1. Земная кора

Самая верхняя оболочка Земли — земная кора — существенно различается по составу и строению под континентами и океанами. Мощность континентальной коры варьирует от 25 до 75 км; в сред­нем она равна 35—40 км. Мощность твердой коры в океанических впадинах (без слоя воды) составляет всего 7—10 км (табл. 1.2).

П од континентами по скоростям распространения упругих волн в первом приближении выделяют три слоя: 1) осадочный, 2) гранит­но-метаморфический, или «гранитный», слагающие верхнюю ко­ру, 3) гранулито-базитовый, или «базальтовый» (нижняя кора). Как верхняя, так и нижняя кора образованы разнородными породами. Термины «осадочный», «гранитный» и «базальтовый» слои в боль­шей мере отражают интегральные физические характеристики этих слоев, нежели их реальный состав. Для осадочного слоя, который местами содержит большое количество вулканитов, характерно по­логое залегание пород и отсутствие высокоградного метаморфизма. Основание осадочного слоя четко фиксируется сейсмическими ме­тодами. Ниже располагается кристаллический фундамент, кото­рый представляет собой гра­нитно-метаморфический слой. Кроме гранитов и их метаморфических эквивален­тов — гнейсов, в строении этого слоя принимают учас­тие средние, основные и даже ультраосновные магматичес­кие породы, а также дисло­цированные и метаморфизо-ванные осадочные толщи. О составе и структуре верх­ней части коры до глубины 15—20 км можно судить по породам, выведенным на дневную поверхность.

Рис. 1.1. Возможное распределение температур под континентами (ле­вая кривая) и океанами (правая кри­вая); пунктир — см. в тексте

Прямые данные о составе нижней коры отсутствуют. Физические характеристики и глубинные ксенолиты, вы­несенные вулканами, указы-

394

396			Таблица 1.2. Строение		земной коры
	Конти	нентальная кора			Океаническая кора
	Слои (цифры —	Скорость	Плотность,		Слои (цифры —	Скорость	Плотность,
	глубина, км)	продольных упругих волн, км/с	г/см3		глубина, км)	продольных упругих волн, км/с	г/см3
					Вода океана	1.5	1
					4.5
	Осадочный 3	2-5	2.5		I слой (рыхлые осадки) 5.0	1.6-2.5	2.1
	Гранитно-метамор­фический («гранитный») 15--20	5.5-6.5 к	2.7		II слой (базальты) 7. 0-7. 5	4.0-6.0	2.8
	Гранулито-базито-вый («базальтовый»)	6.7-7.5	2.9		III слой (полно­кристаллические основные и ультраосновные породы)	6.4- 7.0	2.9
	35-40	М			12	М
	Перидотитовая верхняя мантия	8.0-8.4	3.3		Перидотитовая верхняя мантия	8.0-8.4	3.2

Примечание: К — поверхность Конрада, М — поверхность Мохоровичича

/. Глубинное строение Земли

вают на то, что в нижней коре преобладают метаморфизованные магматические породы основного и кислого составов. Первые пред­ставлены амфиболитами, пироксен-плагиоклазовыми и гранат-пи-роксен-плагиоклазовыми породами и кристаллическими сланцами (гранулитами), а вторые — плагиогнейсами тоналит-трондьемитово-го состава. Пропорции основных и кислых пород варьируют от ме­ста к месту, причем в основании нижней коры залегают преимуще­ственно метабазиты и ультрамафиты, а в верхней части нижней коры возрастает доля кислых пород. Например, верхние 5 км гранулито-базитового слоя, пересеченные Кольской сверхглубокой скважиной в интервале 6.8—12.6 км, сложены плагиогнейсами тоналит-трондь-емитового состава с прослоями амфиболитов.

Сейсмический раздел между «гранитным» и «базальтовым» сло­ями — граница Конрада, или поверхность К — прослежен в разных районах на неодинаковых глубинах и характеризуется разными гра­ничными скоростями, что указывает на неоднородность земной коры и условность деления ее на горизонтальные слои. В последние годы предложены более детальные геологические и геофизические модели континентальной земной коры, учитывающие специфику глубинного строения разных тектонических зон. Например, по дан­ным Н.И.Павленковой (1988 г.), для древних платформ характерна трехслойная земная кора с границами K₁ и К₂ на глубинах 12—15 и 25—30 км. Скорости распространения продольных упругих волн в верхнем слое равны 5.8—6.4, в среднем 6.4—6.7 и в нижнем — 6.8—7.4 км/с. Границу K₁ можно рассматривать как раздел между верхней и нижней корой, а поверхность К₂ — как верхнюю кромку насыщенной базитами и ультрамафитами зоны, расположенной вблизи основания континентальной коры.

Результаты глубокого и сверхглубокого бурения показывают, что многие сейсмические границы в земной коре отражают измене­ние не столько состава пород, сколько их напряженного состояния, пористости и проницаемости. Так, поверхность Конрада может фиксировать зоны разуплотнения в основании «гранитного» слоя, связанного с фильтрацией водных растворов, которые образуются при дегидратации водосодержащих минералов на начальной стадии регионального метаморфизма. В упомянутой выше Кольской сква­жине «гранитный» слой оказался сложенным протерозойскими вулканическими породами основного состава, а верхняя часть под­стилающего «гранулито-базитового» слоя — гранитоидными по­родами. В Саатлинской сверхглубокой скважине, пробуренной

397