Будова Землі за даними геофізики і геохімії.

В 1909 р. югославський геофізик А.Мохоровичич установив нижню сейсмічну межу земної кори, яка потім була названа на його честь “Поверхнею Мохоровичича” (скорочено Мохо). Межу ядра на глибині 2900 км установив у 1914 р. Б.Гутенберг. А в 1915 р. інший геофізик В.Клуссман поділив мантію на дві частини – нижню і верхню. В 1925 р. земна кора розчленовується австрійським геофізиком В.Конрадом на "гранітний" і "базальтовий" шари. Межу між шарами назвали “Поверхнею Конрада”. На рік пізніше Б.Гутенберг детально обгрунтував наявність під літосферою пластичної оболонки, яку раніше сейсмічними методами встановив Дж.Барелл і назвав її астеносферою. Грецькою мовою  (астенос) означає “слабка сфера”. В 1936 році датчанка І.Леманн відкрила внутрішнє тверде ядро Землі.

Таким чином, накоплений науковий матеріал дозволив на кінець 60-х років дати майже беззаперечне уявлення про будову Землі. Вона складається з трьох основних частин: земної кори, мантії і ядра. Земна кора складається з трьох оболонок: осадочної, "гранітної" і "базальтової" з перехідними шарами – “поверхнями”. Мантія поділяється на три частини: верхню, середню і нижню. Всередині верхньої мантії в інтервалі 75-150 км є в`язкий шар, що називається астеносферою. Середню мантію недавно стали називати “Шаром Голіцина”. В нижній мантії виділено перехідний до ядра шар. Ядро поділяється на зовнішнє і внутрішнє, а між ними також існує перехідний шар.

Щодо літосфери, то слід чітко знати, що до неї належить два шари – земна кора і підкорова тверда частина мантії. Іншими словами літосфера – це тверда оболонка Землі, що залягає вище астеносфери.

Перед тим, як перейти до розгляду особливостей оболонок, або геосфер і шарів, нагадаємо, що Земля має форму геоїда (близьку до трьохвісного еліпсоїда), який зумовлений нерівномірним розподілом мас різної щільності в надрах Планети. Якщо маси не вистачає – відбувається опускання поверхні геоїда відносно поверхні сфероїда (фігури, що схожа на еліпсоїд обертання), а при її надлишку – підняття. Такі відхилення коливаються від 50 до 150 м. А взагалі, сили обертання сплюснули Землю в напрямку полярного радіуса на 21, 38 км, а різниця між великою і малою півосями екваторіального еліпса становлять 213 м. Радіус земної кулі, при умові, що він проведений від середньої поверхні геоїда, буде дорівнювати 6371 км.

Кулеподібність Землі першим передбачав ще Піфагор (древньогрецький вчений – 371-497 роки до н. е.). Але науковий доказ такої форми належить Арістотелю (384-322 роки до н.е.), який першим пояснив природу місячних затемнень, як тінь нашої планети. Великий англійський вчений І.Ньютон (1643-1727 рр.) розрахував, що обертання Землі обумовлює відхилення її форми від правильної кулі і надає їй деякої сплющеності біля полюсів. Причиною цього є відцентрова сила Fц, величина якої збільшується із збільшенням радіусу обертання r, тобто при наближенні до екватору. Тому на полюсі сила тяжіння максимальна, а на екваторі - мінімальна.

Маса Землі дорівнює 5,98_*10²⁴ кг, а середня щільність – 5,517_*10³ кг/м³ (тобто 5,5 т.). На земну кору припадає 0,8% всієї маси планети. Якщо враховувати, що щільність порід становить 1,6 – 3,2_*10³ кг/м³ , то це говорить про те, що речовина в надрах Землі значно важча від середньої величини. Але там вона міняється в різних оболонках і шарах, що видно з таблиці 1.

Таблиця 1.

Назва оболонок (геосфер)	Середня глибина Нижньої межі від поверхні Землі (км)	Щільність (n*103 кг/м3 )
Земна кора	33	1,6-3,2
Мантія: верхня середня нижня	410 950 2900	3,3-3,63 4,0-4,6 4,8-5,5
Ядро: зовнішнє внутрішнє	5120 6371 (центр Землі)	10,6-12,3 13,3-13,6

Тиск під земною корою становить 1,3_*10³ МПа, на межі із зовнішнім ядром – майже 1,4_*10⁵ МПа, а у внутрішньому ядрі збільшується до 4_*10⁵ Мпа.

Глибини залягання геосфер і шарів надр Землі та їх властивості були встановлені сучасними геофізичними методами: сейсмічними, гравіметричними, геотермічними та іншими, навіть експериментальними. Але найбільшу інформацію про геосфери і шари Землі дав сейсмічний метод, який ґрунтується на швидкості і шляхах поширення пружних коливань – сейсмічних хвиль. Чим твердіші породи чи речовина Землі – тим швидше в цілому проходять через них сейсмічні хвилі. Через земну кору вони проходять з різною швидкістю в км/сек. в залежності від того, через які шари вони проходять: осадочний, "гранітний" чи "базальтовий". В мантії і ядрі сейсмічні хвилі теж проходять з різною швидкістю (табл. 2).

Таблиця 2.

Назва оболонок і перехідних шарів	Інтервали середніх глибин, км	Швидкість проходження поздовжніх хвиль, км/сек.
Земна кора (шар А)	0-33	1,6-7,4
Верхня мантія (шар В – Гутенберга з астеносферою в інтервалі 75 - 150 км.)	33-410	7,9-9 (в астеносфері швидкість менша)
Середня мантія (шар С – Голіцина)	410-950	9-11,4
Нижня мантія (шар D')	950-2700	13,6
Перехідний шар (шар D''- Віхерта-Гутенберга)	2700-2900	12,6
Зовнішнє ядро (шар Е)	2900-4980	8,1-10,4
Перехідний шар (шар F-Леманн)	4980-5120	10,4-9,5
Внутрішнє ядро (шар G або суб'ядро)	5120-6371	11,2-11,3

Геофізики встановили, що речовина, яка складає мантію Землі, має дві властивості – твердого тіла і в’язкої речовини (на зразок смоли або льоду). Якщо на такі фізичні тіла діють раптові сили при ударі, то вони реагують як тверді тіла – розсипаються, в них поширюються повздовжні і поперечні хвилі. При повільній дії на них (остійному тиску, дії сил гравітації), такі тіла ведуть себе як в’язкі речовини – повільно течуть.

Важливо також мати уявлення про зміни температури з глибиною надр Землі. Встановлено, що на певній глибині від поверхні вона має постійну величину. Але ця глибина буде різною в певних географічних широтах і коливається переважно від 2 до 40 м. Бувають випадки, коли постійна температура зберігається на глибині за сотню метрів (наприклад, в Якутії – на глибині 116 м). Нижче вона починає зростати на 1 градус в середньому через кожні 30 м. Але нерідко спостерігаються відхилення від середньої геотермічної ступені – від 19 до 111м. Отже, можна приблизно визначити температуру надр на певній глибині земної кори. Вона буде наростати на 2-5 градуси на кожні 100 м При цьому треба вносити поправки на теплопровідність порід, характер хімічних реакцій, відстань до магматичних гарячих тіл, наявність термальних вод, концентрацію радіоактивних елементів та інше.

В мантії температура з глибиною підвищується значно повільніше

всього лише на 0,35-0,45^оС на кожний кілометр. Вчені встановили, що на глибині 100 км (тобто під земною корою) температура становить близько 1200^оС, на глибині 400 км – 1600^оС, а в ядрі 5000-6000^оС.

В хімічному складі Землі за А.П.Виноградовим (1962 р.), встановлені певні закономірності. Кора складається переважно з трьох елементів: O – 49,13% , Si – 26% i Al – 7,45%, а разом – 82,53%. Тому її нерідко називають, як уже говорилось, "Сіаль" (SiAl). (Про кількість у земній корі інших елементів повідомляє в наступному параграфі).

Хімічний склад мантії і ядра можна тільки передбачати, враховуючи склад метеоритів і диференціацію речовин в надрах Землі, і, звичайно ж, беручи до уваги речовинний склад кори та геофізичні властивості оболонок.

З мантії, як з первинної матерії Землі, відбулось виплавлення переважно легких хімічних елементів кори і важких елементів ядра. Тому передбачається, що ядро на 84-92% складається з заліза і нікелю, від чого йому і дано іншу назву – "Ніфе" (NiFe).

Зовнішнє ядро (шар Е), найвірогідніше, перебуває у в`язкому стані, а внутрішнє – у твердому.

Хімічний склад мантії досить складний. Він визначається оксидами кремнію, магнію, алюмінію, кальцію та іншими. Речовину мантії, з якої виплавилось залізо і нікель, називають піролітом. В шарі D", на думку О.Г.Сорохтіна, важливу роль відіграє одновалентний оксид заліза – Fe₂O, а речовина має флюїдальну текстуру (текстуру течії). Тому допускається процес перетікання мантійної речовини. В зв'язку з цим ряд дослідників пропонує розглядати шар D" (перехідний шар до зовнішнього ядра) як другу астеносферу Землі.

За розрахунками О.Г.Сорохтіна, з такого ж заліза складається і зовнішнє ядро. Цікавий також висновок цього вченого про наростання внутрішнього ядра щорічно на 1 см за рахунок постійно поступаючого до нього заліза.