Оболочки земли

Ученые давно предполагали, что Земля имеет оболочное строение. Это вытекало из непосредственных наблюдений: вверху воздушная оболочка (атмосфера), ниже - водная, еще ниже - каменная. Термины гидросфера, литосфера, а также биосфера были введены в конце прошлого века австрийским геологом Э. Зюссом.

Атмосфера самая верхняя оболочка Земли. Масса атмосферы 5,098·10¹⁵ т, что менее одной миллионной части массы Земли в целом и примерно равно 0,05% массы земной коры. Атмосфера постепенно переходит в межпланетное пространство. Однако около половины ее массы приходится на первые 5 км и 99% - на слой всего до 30—35 км.

Состав атмосферы без паров воды и пыли (массовая концентрация, %) следующий:

N₂ — 75,51 Nе - 0,0012

О₂ — 23,01 Не - 0,00007

Аг — 1,28 Кг - 0,0003

СО₂ —0,046 Хе - 0,00004.

Атмосфера также имеет зональное (оболочечное) строение, в ней выделяются тропосфера (в среднем до высоты 11--12 км), стратосфера (примерно до 55 км), мезосфера (примерно до 80—85 км), выше расположена термосфера, переходящая во внешнюю атмосферу или экзосферу.

Для стратосферы характерно наличие довольно большого количества озона О₃ (на высоте 20—35 км), который сильно поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца, превращая его в тепло.

Гидросфера - водная оболочка Земли включает все океаны, моря, озера, реки, болота, все подземные воды, т. е. все воды, находящиеся в земной коре и на ее поверхности. К гидросфере должна быть причислена и криосфера (т. е. ледяная оболочка Земли). Масса гидросферы 1,422·10¹⁸ т. Поверхность мирового океана 361,16·10⁶ км². Объем океанических и морских вод при средней глубине 3,8 км равен 1372·10⁶ км³. На долю суши приходится около 131 млн. км³ вод. Из них на подземные воды и почвенную влагу ~ 110 млн., ледники ~ 21 млн., воды озер ~ 750 тыс., воды организмов ~ 6 тыс. и речные воды ~ 1,2 тыс. км³.

Средний химический состав океанической воды массовая концентрация, % следующий:

О – 85,89	Ca – 0,042
Н – 10,80	K – 0,037
Cl – 1,93	Br – 0,0066
Na – 1,07	C – 0,002
Mg – 0,13	Sr – 0,001
S – 0,088

В океанической воде в ничтожно малых количествах обнаружены практически все химические элементы. Соленость от океанических вод в среднем около 35 г/л (3,5%).

Гидросфера играет исключительно большую роль в разрушении и образовании горных пород и минералов и существенным образом влияет на происходящие геологические процессы, многие из которых и возможны только при наличии водной среды.

Б

иосфера - особая оболочка, в которой живут организмы. Акад. В. И. Вернадский создал новое направление в геологии - биогеохимию, науку о роли организованной материи в геологической истории земной коры. Он ввел термин «живое вещество», понимая под этим всю совокупность организмов в их геологическом значении, всю флору, всю фауну, все бактерии, т. е. все живое на Земле, и указывал, что «понимаемое таким образом живое вещество совершенно сравнимо с другими телами, имеющими значение в химии земной коры,- с минералами, горными породами и жидкостями». (В. И. Вернадский, Избр. соч., т. V, 1954, стр. 163-169). Отсюда стало возможным говорить и о биогеохимических процессах, и концентрации и рассеянии химических элементов живым веществом.

Роль организмов в образовании горных пород и полезных ископаемых огромна. Достаточно вспомнить обширные области, сложенные известняками, или образования каменного угля, торфа, диатомиты, фосфориты, самородную серу и многие другие горные породы и минералы, которые являются продуктами органической жизни.

Главными элементами биосферы являются О, Н, С, N, Са (содержание каждого из них более 1 % от массы организмов), далее по распространению следуют S, Р, К, Na, С1, Mg, Fе. Все остальные элементы встречаются в количествах менее 0,01%.

Масса биосферы равна примерно 5·10¹²т. Большая часть

ее сосредоточена в океане. Масса животного мира составляет

примерно 1/2000 часть от массы растительности. Биосфера охваты-

в

Рис. 52. Схема строения земного шара

А – земная; В – верхняя мантия; С – средняя мантия;

D – нижняя мантия; Е – внешнее ядро; F – внутреннее ядро.

ает практически всю гидросферу, верхнюю часть литосферы и

нижнюю часть атмосферы. Наиболее интенсивная жизнь, пленка жизни, приурочена к границе этих геосфер.

Именно здесь, на стыке геосфер, мы видим наибольшее разнообразие и усложнение в строении вещества и именно здесь живет человек, самый сложный и удивительный продукт природы.

Литосфера. Литосфера, или земная кора, представляет самую верхнюю каменную оболочку нашей планеты. Прежде чем охарактеризовать ее, рассмотрим вкратце внутреннее строение земли. Изучение внутреннего строения Земли имеет не только научно-познавательное, но и практическое значение, ибо может указать законы распространения элементов (а следовательно, и месторождений полезных ископаемых), может пролить свет на локализации и происхождение землетрясений и т. д. Такими исследованиями занимается главным образом паука геофизика, которая тесно связана с петрографией и геохимией.

В настоящее время можно считать установленными три главные твердые оболочки Земли - земную кору, мантию и ядро (рис. 52). Это разделение основано на геофизических данных разной скорости распространения продольных и поперечных сейсмических волн в каждой из этих оболочек. Возникновение сейсмических волн вызывается искусственно — взрывами. Также изучаются и естественные упругие колебания, образуемые землетрясениями. На границе пород различной плотности происходит отражение и преломление сейсмических волн. Последние приходят на сейсмические станции, где и регистрируются приборами. В результате изучения распространения сейсмических волн становится возможным установить границы пород различной плотности, а следовательно, и границы указанных оболочек.

-40

Верхняя из этих оболочек - литосфе ра, или земная кора покрывает всю планету слоем мощностью от 8 — 12 км под океанами и от 40 до 70 км на континентах. На континентах выделяются три типа пород: тонкий чехол осадочных пород, под ним залегают метаморфическая оболочка и гранитный слой, а еще глубже базальты

(рис. 53). В океанических впадинах гранит-

ного слоя и метаморфической оболочки

нет, там только два типа пород - осадки и

1-- осадочные породы;

2 — граниты и метаморфические породи;

3 — базальты;

4. — породы мантии.

Рис. 53. Схема строения земной коры

базальтовый слой. Отсюда и главное отличие континентальной земной коры от океанической. Четкое определение земной

коры стало возможным только с установлением ее нижней границы. Эта граница₁ определяется резким скачком в скорости прохождения продольных сейсмических волн: выше ее (в базальтовом слое Земли эта скорость равна 6,5 км/сек, ниже (в верхней мантии) - скорость 8 км/сек. Резко изменяется и плотность пород: от 2,7 в среднем для земной коры до 3,3 сразу же глубже ее границы. Линия раздела земной коры и мантии называется перерывом Мохоровичича (или сокращенно Мохо) в честь сербского ученого-сейсмолога, открывшего существование этого перерыва.

Под земной корой располагается вторая, самая мощная из твердых оболочек Земли -мантия. На долю мантии приходится около 80% объема земного шара и около 2/3 его массы около 4·10²¹т). Мантия простирается до глубины 2900 км. С глубиной в мантии возрастают температура, давление, плотность и скорости прохождения сейсмических волн. Увеличение скорости прохождения сейсмических волн происходит неравномерно. Нарастание скорости позволяет выделить верхнюю (до 200 км), среднюю (до 900 км) и нижнюю (до 2900км) мантию. Вещество мантии твердое. Химический состав его, по А. П. Виноградову, соответствует каменным метеоритам — хондритам. Некоторые ученые полагают, что состав мантии соответствует составу дунитов или даже базальтов.

На глубине 2900км снова отмечается резкое изменение свойств вещества, слагающего Землю. Этот раздел, отделяющий мантию от ядра Земли, установлен на основании того, что глубже его не проходят поперечные сейсмические волны. А так как поперечные -сейсмические волны свободно распространяются в твердых телах и не проходят в жидкостях, то можно предположить, что по край­ней мере верхняя часть ядра Земли имеет свойства жидкости.

Естественно, что это не жидкость в понимании «как вода»; полагают, что это несколько, более текучее вещество, чем мантия. На глубине -5100 км в ядре (тоже из наблюдения сейсмических колебаний) выделяют еще внутреннюю его часть, которая, вероятно, является твердой.

О химическом составе ядра можно только догадываться. Исходя из того, что средняя плотность Земли 5,52 г/см¹⁵, а плотность литосферы составляет около 2,7 г/см³, глубокие части Земли должны иметь очень большую плотность. Принимая, что состав мантии соответствует составу каменных метеоритов (хондритов), логично предположить, что состав более глубоких частей Земли (т. е. ядра) соответствует составу железных метеоритов. Поскольку последние состоят из ^:Fe (90,85%) и Ni (8,5%), то и состав ядра предполагают состоящим из никелистого железа.

Существуют и другие точки зрения, полагающие, что ядро, как и мантия, состоит из силикатов, которые благодаря чрезвычайно высокому давлению (на границе ядра с мантией 1,3 млн.атм, в центре Земли 3 млн. атм.) находятся в особом «металлическом» состоянии.

Земная кора - главная область работ минералога, петрографа и геохимика. Здесь протекают все геологические процессы и здесь мы встречаемся со всем разнообразием сочетаний химических элементов, составляющих минералы и горные породы. Среднее содержание химических элементов в земной коре впервые было вычислено в 1889 г. американским ученым Ф. У. Кларком (1847—1931). Поставив своей задачей получение возможно более точных данных по

содержанию химических элементов в породах земной коры, Ф. У. Кларк непрерывно изменял и уточнял эти сведения, впоследствии (в 1924г.) совместно с Г.С. Вашингтоном Изучением распределения элементов (особенно редких) в породах занимался также норвежский петролог И. Фохт.

Таблицы средних содержаний химических элементов литосферы составлялись так же академиками В. И. Вернадским и А. Е. Ферсманом. Последним и было предложено называть среднее содержание химического элемента в земной коре –

Рис. 54. Средние содержания химических

элементов в земной коре

(по А. П. Виноградову, 1962)

кларком элемента, в честь американского геохимика Ф. У. Кларка. На рис. 54 показано процентное содержание (кларки) наиболее распространенных элементов в земной коре. Крупные обобщения по распространенности

химических элементов в разных типах горных пород

и в метеоритах были выполнены в последние годы

А. П. Виноградовым. В приложении к учебнику приведены табличные данные по А. П. Виноградову (1962), показывающие средние содержания химических элементов в разных типах горных пород, в каменных метеоритах и средние содержания элементов (кларки) для литосферы в целом.