Модуль 1. Внутреннее строение и состав Земли
Цель модуля – рассмотрение современной модели внутреннего строения и состава Земли, характеристика её внутренних оболочек. В модуле особое внимание уделяется сведениям о строении и составе континентальной и океанической коры, природе литосферы и астеносферы. Химическая характеристика оболочек дополняется общими сведениями о направленности дифференциации мантийного вещества Земли и сведениями об основных выделяемых мантийных резервуарах.
Лекция 1. Внутренне строение и состав Земли Модель внутреннего строения Земли
Сведения о внутреннем строении Земли основаны преимущественно на изучении скоростей прохождения упругих волн в недрах возникающих при землетрясениях или взрывах. Значения скоростей различных сейсмических волн позволяют рассчитать распределение плотности вещества и давления внутри Земли, выявить сейсмические границы разделов, разделяющих оболочки планеты с разными свойствами.
Эти данные послужили основой для создания моделей внутреннего строения Земли, в которых выделены ряд сферических оболочек, характеризующихся более или менее однородными физическими свойствами и достаточно четкими поверхностями или границами разделов, трассируемыми резкими изменениями скоростей объемных сейсмических волн. Сейсмические данные дополняются комплексом измерений различных физических параметров (электропроводности, величины теплового потока и многих других).
В середине XX века внутренне строение описывалась моделью К.Е. Буллена. Позднее, и в большинстве современных работ, принята уточненная модель PREM (Prelimenary Reference Earth Model), которая характеризуется «нормальным», то есть усредненным распределением с глубиной различных физических параметров, в том числе скоростей сейсмических волн.
Фундаментальный вывод, полученный на основе анализа скоростных моделей Земли состоит в том, что наша планета состоит из серии концентрических оболочек, представляющих железистое ядро, силикатную мантию и алюмосиликатную кору.
Рисунок – Сейсмическая модель Земли
Сейсмические волны, распространяясь от очага землетрясения в глубь Земли, испытывают наиболее значительные скачкообразные изменения скорости, преломляются и отражаются на сейсмических разделах, расположенных на глубинах 33 км и 2900 км от поверхности (см. рисунок). Эти резкие сейсмические границы позволяют разделить недра планеты на 3 главные внутренние геосферы – земную кору, мантию и ядро.
Земная кора от мантии отделяется резкой сейсмической границей, на которой скачкообразно возрастает скорость и продольных, и поперечных волн. Так скорость поперечных волн резко возрастает с 6,7-7,6 км/с в нижней части коры до 7,9-8,2 км/с в мантии. Эта граница была открыта в 1909 г. югославским сейсмологом Мохоровичичем и впоследствии была названа границей Мохоровичича (часто кратко называемой границей Мохо, или границей М). Средняя глубина границы составляет 33 км; при этом под континентами глубина раздела Мохоровичича может достигать 60-75 км (что фиксируется под молодыми горными сооружениями – Андами, Памиром), под океанами – лишь 10-12 км, включая мощность толщи воды.
Ещё более резкая сейсмическая граница, разделяющая мантию и ядро, фиксируется на глубине 2900 км. На этом сейсмическом разделе скорость Р-волн скачкообразно падает с 13,6 км/с в основании мантии до 8,1 км/с в ядре; S-волны – с 7,3 км/с до 0. Исчезновение поперечных волн указывает, что внешняя часть ядра обладает свойствами жидкости. Сейсмическая граница, разделяющая ядро и мантию, была открыта в 1914 г. немецким сейсмологом Гутенбергом, и её часто называют границей Гутенберга, хотя это название и не является официальным.
Резкие изменения скорости и характера прохождения волн фиксируются на глубинах 670 км и 5150 км. Граница 670 км разделяет мантию на верхнюю мантию (33-670 км) и нижнюю мантию (670-2900 км). Граница 5150 км разделяет ядро на внешнее жидкое (2900-5150 км) и внутреннее твёрдое (5150-6371 км).
Существенные изменения отмечаются и на сейсмическом разделе 410 км, делящим верхнюю мантию на два слоя.
Полученные данные о глобальных сейсмических границах дают основание для рассмотрения современной сейсмической модели глубинного строения Земли.
Внешней оболочкой твёрдой Земли является земная кора, ограниченная границей Мохоровичича. Эта относительно маломощная оболочка, толщина которой составляет от 6-7 км под океанами до 60-70 км под континентальными горными сооружениями. Существуют два главных типа земной коры – континентальная и океанская, принципиально различающиеся по строению, составу, происхождению и возрасту.
Континентальная кора имеет среднюю мощность около 33 км, в её разрезе выделяются 3 слоя. Верхний слой, как правило, сложен осадочными породами, включающими небольшое количество слабометаморфизованных и магматических пород. Этот слой называется осадочным. Геофизически он характеризуются низкой скоростью Р-волн в диапазоне 2-5 км/с. Средняя мощность осадочного слоя около 2,5 км. Ниже располагается верхняя кора (гранито-гнейсовый или «гранитный» слой), сложенный магматическими и метаморфическими породами богатыми кремнезёмом (в среднем соответствующими по химическому составу гранодиориту). Скорость прохождения Р-волн в данном слое составляет 5,9-6,5 км/с. В основании верхней коры, согласно некоторым моделям, выделяется сейсмический раздел Конрада, отражающий возрастание скорости сейсмических волн при переходе к нижней коре. Но этот раздел фиксируется не повсеместно: в континентальной коре часто фиксируется постепенное возрастание скоростей волн с глубиной. Нижняя кора (гранулито-базитовый слой) отличается более высокой скоростью волн (6,7-7,5 км/с для Р-волн), что обусловлено изменением состава пород - согласно наиболее приятой модели её состав соответствует гранулиту.
Геофизические данные указывают на различие реологических свойств верхнй и нижней коры: верхняя кора жесткая и хрупкая, нижняя – относительно пластичная.
В формировании континентальной коры принимают участие породы различного геологического возраста, вплоть до самых древних возрастом около 4 млрд. лет.
Океанская кора имеет относительно небольшую мощность, в среднем 6-7 км. В её разрезе в самом общем виде можно выделить следующие слои (рисунок 2):
Первый осадочный. Его мощность меняется от 0 в осевых частях СОХ до 10-15 и иногда более км на периферии океанов. При этом возраст осадков нигде не превышает 180 млн. лет.
Второй слой в своей основной верхней части сложен базальтами с редкими маломощными прослоями осадочных пород (2а); в нижней части второго слоя развиты параллельные дайки долеритов (2б), выполняющие подводящие трещинные каналы, по которым лава поднималась к поверхности. Общая мощность второго слоя 1.5-2 км.
Третий слой состоит из кристаллических магматических пород преимущественно основного состава. Верхняя часть этого слоя (3а) представлена габбро, нижняя (3б) – расслоенным комплексом, состоящий из чередования габбро и ультраосновных пород. Мощность слоя около 5 км.
Ниже располагаются ультраосновные породы мантии, при этом его нижнюю часть (4б) слагают тектонизированные перидотиты.
Рисунок – Строение океанической коры
Возраст древнейших пород современной океанской коры около 160 млн. лет.
Мантия представляет собой наибольшую по объёму и массе внутреннюю оболочку Земли, ограниченную сверху границей Мохо, снизу – границей Гутенберга. В её составе выделяется верхняя мантия и нижняя мантия, разделённые границей 670 км.
Верхняя мания по геофизическим особенностям разделяется на два слоя. Верхний слой - подкоровая мантия - простирается от границы Мохо до глубин 50-80 км под океанами и 200-300 км под континентами и характеризуется плавным нарастанием скорости как продольных, так и поперечных сейсмических волн, что объясняется уплотнением пород за счёт литостатического давления вышележащих толщ. Ниже подкоровой мантии до глобальной поверхности раздела 410 км расположен слой пониженных скоростей. Как следует из названия слоя, скорости сейсмических волн в нем ниже, чем в подкоровой мантии. Более того, на некоторых участках выявляются линзы, вообще не пропускающие S-волны, это даёт основание констатировать, что вещество мантии на этих участках находится в частично расплавленном состоянии. Этот слой называют астеносферой (от греч. «asthenes» - слабый и «sphair» - сфера); термин введён в 1914 американским геологом Дж. Барреллом, в англоязычной литературе часто обозначаемый LVZ – Low Velocity Zone. Таким образом, астеносфера – это слой в верхней мантии, выявляемый на основании снижения скорости прохождения сейсмических волн и обладающий пониженной прочностью и вязкостью.
Наличие пластичного астеносферного слоя, отличающегося по механическим свойствам от твёрдых вышележащих слоёв, даёт основание для выделения литосферы - твердой оболочки Земли, включающей земную кору и подкоровую мантию, расположенную выше астеносферы. Мощность литосферы составляет от 50 до 300 км. Нужно отметить, что литосфера не является монолитной каменной оболочкой планеты, а разделена на отдельные плиты, постоянно движущиеся по пластичной астеносфере. К границам литосферных плит приурочены очаги землетрясений и современного вулканизма.
Подошва литосферы является изотермой приблизительно равной 1300°С, что соответствует температуре плавления (солидуса) мантийного материала при литостатическом давлении, существующем на глубинах первые сотни километров. Породы, лежащие в Земле над этой изотермой, достаточно холодны и ведут себя как жесткий материал, в то время как нижележащие породы того же состава достаточно нагреты и относительно легко деформируются. Следовательно, переменная мощность литосферы объясняется в первую очередь неодинаковым геотермическим режимом в различных областях земного шара.
Рисунок - Природа астеносферного слоя в мантии Земли.
Соответственно, существенную долю расплава астеносфера содержит лишь под срединно-океанскими хребтами, где кривая температуры верхней мантии пересекает кривую температуры ее солидуса. Здесь максимально полному плавлению астеносферы способствует вдобавок максимально высокий подъем ее кровли и, как следствие, низкая температура солидуса, связанная с минимальным литостатическим давлением.
Нужно заметить, что изотерма же 1300°С отмечает лишь точку плавления наименее тугоплавкой базальтовой составляющей мантийного вещества, которое, возникая, заполняет межгранулярные пространства более туго-плавкого упругого каркаса мантии. По этой причине суммарная доля расплава в астеносфере колеблется в пределах всего лишь 1 – 10%.
Глубже раздела 410 км в верхней мантии повсеместно распространяются и P-, и S-волны, а их скорость относительно монотонно нарастает с глубиной.
В нижней мантии, отделённой резкой глобальной границей 670 км, скорость Р- и S-волн монотонно, без скачкообразных изменений, нарастает соответственно до 13,6 и 7,3 км/с вплоть до раздела Гутенберга.
Во внешнем ядре скорость Р-волн резко снижается до 8 км/с, а S-волны полностью исчезают. Исчезновение поперечных волн даёт основание предполагать, что внешнее ядро Земли находится в жидком состоянии. Ниже раздела 5150 км находится внутреннее ядро, в котором возрастает скорость Р-волн, и вновь начинают распространяться S-волны, что указывает на его твёрдое состояние.
Развиваемые в последние методы сейсмической томографии позволяют выявляясь неоднородности плотности в недрах Земли и на основании этих данных создавать трехмерные модели глубинных участков. На основании этих данных удалось выявить разнонаправленное движение относительно холодного и относительно нагретого вещества, отражающее процессы геодинамические процессы.
Рисунок – Томографическое изображение верхней мантии. Красным цветом выделена горячая («медленная») мантия, фиолетовым – холодная («быстрая»). Оранжевым цветом показан срез горячей мантии (по Сю В., Вуудварду Р., Дзевонскому А., 1994)