§ 3. Строение Земли

Земной шар подразделяется на несколько концентрических сфер (оболочек), вложенных одна в другую – так называемых геосфер. Выделяются наружные и внутренние геосферы. Наружные геосферы это атмосфера, гидросфера, биосфера, криосфера (прерывистая ледяная оболочка) и литосфера. Внутренние геосферы: астеносфера (вязкопластическая высокотемпературная оболочка, в которую как бы втоплены корни литосферы), верхняя мантия, нижняя мантия, внешнее ядро, переходная оболочка и центральное ядро.

В настоящее время не существует возможности изучать внутреннее строение Земли прямыми методами (например, бурением скважин), да и литосфера изучена только с поверхности. Наибольшую глубину имела так называемая Кольская сверхглубокая скважина, которая в советское время бурилась на Кольском полуострове. Ее глубина достигла около 12,5км. Если сопоставить эту величину с размерами Земли, то, образно говоря, мы даже еще не прокололи кожицу яблока, не говоря уже о его сердцевине.

Для познания глубоких зон Земли применяют геофизические методы. Они заключаются в исследовании скорости распространения упругих волн. Различаются продольные, поперечные и поверхностные волны. Скорость распространения упругих волн зависит от упругих свойств горных пород и их плотности.

Границы между внутренними оболочками (геосферами) выделяются по резким скачкообразным изменениям скоростей изменения упругих характеристик и плотности вещества (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схемы строения, состава и свойств Земли (в области потухших вулканов штрихами показан только осадочный слой, в областях морей и океанов ими показана еще и вода): 1 – осадочный слой; 2 – гранитный слой; 3 - базальтовый слой; 4 – глубинный разлом; 5 – первичный очаг; 6 – вторичный очаг.

Первая граница раздела находится на глубине 60-80км. Скорость распространения упругих волн в земной коре на глубинах от 5м до 80км, составляет 1-5,5км/сек. В нижних слоях земной коры в литосфере скорость увеличивается до 7км/сек. На глубине свыше 80км отмечается заметный скачок - скорость возрастает до 8км/сек. Таким образом, существует резкий раздел между литосферой и астеносферой, называемый разделом Мохоровичича (или поверхностью Мохоровичича). Выше лежит земная кора - твердая внешняя геосфера, являющаяся основным объектом изучения геологии. В ней различают осадочный, гранитный и базальтовый слои.

Осадочный слой слагают различные по составу осадочные горные породы, прерывистым чехлом покрывающие земную кору с поверхности. Ее мощность варьирует от 0 до 10-15км при среднем значении около 3км; средняя плотность 2,5-2,6 г/см³.

Гранитный слой развит в земной коре неравномерно. Его мощность увеличивается от древних к молодым континентам и наибольшей величины (50-80км) достигает в зонах молодых горных сооружений (Западные Альпы, Памир). Гранитный слой практически отсутствует или очень мал (0,4-0,5км) под океанами. По составу этот слой близок к горной

породе - граниту и имеет плотность 2,6-2,7 г/см³. В составе гранитного и осадочного слоев преобладают коме кислорода кремний и алюминий, поэтому их часто объединяют общим названием "сиаль".

Граница Конрада, определяемая ростом плотности пород (от 2,7 до 2,9 г/см³), отделяет гранитный слой от нижней части земной коры - базальтового слоя. Базальтовый слой на территориях равнин достигает 20-30км, в районе молодых гор - 15-20км, а под океанами - 5-6км. По составу и свойствам он близок к породам с малым содержанием кремнезема (типа базальтов, габбро и т.п.) и большей плотностью, чем породы гранитного слоя. Базальтовый состав слоя под океанами подтверждается излиянием базальтовых лав подводными вулканами.

Границы между слоями весьма условны и слабо выражены вследствие их взаимного перехода, смещения и замещения, как по площади развития, так и в глубь Земли.

Ниже поверхности Мохоровичича находится мантия. Она распространяется до глубины 2900км, фиксируя второй раздел первого порядка, отделяющий мантию от ядра.

Рис. 1.2. Графики изменения скорости поперечных _p и продольных_s волн на различной глубине земного шара с сектором (справа), иллюстрирующим оболочечное строение Земли по данным сейсмического метода.

В мантии по строению, составу, свойствам и другим признакам выделяют три слоя: слой Гуттенберга (В) до глубины 200-400км, слой Голицына (С) - до 700-900км и слой Д - до 2900км (рис. 1.2). Слои В и С входят в состав верхней мантии, оболочки Земли, содержащей кроме кислорода и кремния еще и магний (симатическая оболочка). Средняя плотность вещества верхней мантии 3,2-4,5г/см³.

В пределах слоя В выделяют астеносферу (волновод или пояс размягчения) - пластичный разуплотненный слой вещества, находящийся между 100-200км под материками и между 50-400км под океанами. Как менее плотный, материал волновода стремится всплыть. Полагают, что он на 25% состоит из базальта, выплавленного из вещества слоя В; на долю жидкой фазы в волноводе приходится до 10% общего объема его массы. Жидкий базальт, концентрируясь у гребней выступов волновода, образует крупные скопления (астенолиты), которые при нарушении изостатического равновесия внутри Земли, способны отрываться от волновода и внедряться в земную кору или изливаться на поверхность. Следовательно, именно в слое В зарождаются очаги вулканов, землетрясений, связанных с перемещениями глубинных масс, фокусы которых обнаруживаются до глубины 700-800км. Верхняя мантия, на данной стадии изученности глубинных процессов, является наиболее активной и продуктивной частью оболочки, из которой формируются магматические породы и полезные ископаемые.

Ниже астеносферы в пределах слоя В на глубинах свыше 200км находится слой с повышенной вязкостью. Его сменяет слой С - переходная зона, в которой возрастает плотность пород, скорости сейсмических волн достигают максимальных значений. В.А.Магницкий полагает, что возрастание плотности в слое С и еще больше в слое Д (5,3-6,6 г/см³) связано с заменой ионных типов связей ковалентными; дополнительным фактором является, видимо, медленное нарастание всестороннего давления. В составе слоя Д предполагаются кислород, железо, магний, никель.

Центральное ядро - с глубины 2900км и до центра Земли - состоит, по-видимому, из никеля и железа. Плотность вещества колеблется от 7 до 11 г/см³. В пределах ядра выделяется жидкая внешняя оболочка до глубины 5100км (слой Е - внешнее ядро), а с глубины 5100км, внутренняя часть - твердое ядрышко (слой F). Большая плотность вещества в ядрышке может быть объяснена тем, что под влиянием больших давлений у некоторой части атомов должно произойти нарушение электронных оболочек и срыв электронов. Такие атомы могут сблизиться на гораздо меньшие расстояния, чем это возможно при обычных условиях; то есть вещество в центре Земли может быть сжато в несравненно большей степени, чем в поверхностных частях. При этом появляется большое число свободных электронов, придающих веществу любого состава свойства металла или металлизированного вещества.

Существует и другая гипотеза строения ядра, по которой железа и никеля там не больше, чем в других внутренних оболочках, просто вещество в ядре за счет всестороннего давления испытывает фазовый переход (переход всего соединения в металлическую фазу с перестройкой кристаллической решетки). Более того, поскольку такой переход осуществляется скачком (что следует из физической сущности процесса), то этим объясняется и наличие резкого перехода (границы раздела) между мантией и ядром на глубине 2900км.

Полагают, что Земля, в основном, находится в твердом состоянии. Согласно этому земная кора (осадочный, гранитный и базальтовый слои) состоят из твердых веществ. Залегающая ниже мантия вплоть до ядра состоит из веществ, которые при мгновенно действующих силах (например, при ударах землетрясений) ведут себя как твердые, а при медленно действующих – как жидкие. Подобное двойственное состояние вещества можно пояснить следующим примером: если кусок льда уронить на пол - он расколется, ибо лед хрупок. Но та же хрупкость не мешает тому же льду в форме горного ледника безостановочно течь со скоростью до 2-3м в сутки. Внешнее ядро представляется сильно переуплотненной жидкостью, что объясняет полное прекращение распространения поперечных сейсмических волн глубже 2900км (как мы знаем из школьного курса физики, в жидкостях поперечные волны не распространяются). Внутреннее ядро (или ядрышко) состоит из твердого металлизированного вещества.

Кроме сейсмических, существуют и другие методы изучения строения внутренних оболочек Земли.

Это гравиметрический метод, который заключается в изучении распределения на поверхности Земли силы тяжести. В зависимости от геологического строения над участками, сложенными легкими горными породами сила тяжести уменьшается, а над участками, сложенными тяжелыми породами – увеличивается (по сравнению с ее теоретическим значением, зависящим от географической широты и рассчитанным для сфероида).

Такие отклонения называются гравитационными аномалиями. Например, в горных образованиях (Альпы, Памир, Кавказ и др.) эти аномалии отрицательные, то есть ускорение силы тяжести в них меньше теоретического значения, а в Тихом океане сосредоточены аномалии положительные (с ускорением больше теоретического). Казалось бы, соотношения должны быть обратными, ведь масса воды океана с плотностью около 1 г/см³ должна создавать отрицательные аномалии, а горные породы со средней плотностью около 2,8г/см³ – положительные. В действительности же, недостаток массы в океанах, образуемый водой, с лихвой компенсируется породами высокой плотности (до 3,2 г/см³), слагающими ложе океана – базальтовый слой, а под горными хребтами на значительную глубину (до 50км) залегают породы пониженной плотности – гранитный слой. Этим методом изучают строение, главным образом, первой из твердых оболочек Земли – земной коры.

Широко применяются также магнитные методы изучения глубин Земли, основанные на сравнительных характеристиках распределения так называемого ²остаточного поля² земного магнетизма, образующегося за счет центров намагничивания, которые залегают на глубинах до 2900км (в мантии).

В целом, несмотря на очевидную трудность изучения строения недр Земли, задача эта в какой-то мере решается уже в наше время.

Характеристика вешних оболочек Земли дается в сокращенном виде, поскольку эта тема достаточно полно изложена в школьных курсах.

Атмосфера это газообразная оболочка Земли, состоящая из трех основных слоев: тропосферы, стратосферы и ионосферы. Границы между слоями достаточно условны и существенно изменяются в зависимости от широты местности и даже в одном месте – от времени года.

• тропосфера имеет толщину от 6км у полюсов до 15-18км на экваторе; в средних широтах – 10-12км. Содержит около 80% массы всей атмосферы и весь водяной пар. Тепловое излучение Земли обуславливает нагревание воздуха в тропосфере. На каждые 100м высоты температура воздуха понижается на 0,5-0,6 °. У полюсов температура у верхней границы тропосферы составляет –40 -50°С, а на экваторе -70 -80°С;

• стратосфера распространяется до высоты 80-90км и содержит около 5% массы всей атмосферы. Стратосфера характеризуется наличием озонового слоя в своей средней части. Температура при приближении к озоновому слою возрастает и достигает +25°С, а затем, к верхней границе стратосферы падает до –80 -90°С;

• ионосфера это верхняя оболочка атмосферы, которая на высоте около 1000км переходит в межпланетное пространство. Ионосфера характеризуется сильной ионизацией воздуха, что вызывает полярные сияния.

Атмосфера в целом является важным геологическим фактором, влияющим на развитие земной поверхности.

Гидросфера - вторая из наружных оболочек Земли, образованная водами Мирового океана совместно с водами рек, озер, ледников; сюда же относятся подземные воды, залегающие ниже поверхности Земли. Таким образом, гидросфера является очень своеобразной оболочкой. Хотя все воды, входящие в нее, в той или иной степени связаны между собой, условия их нахождения в природе различны.

Гидросфера обладает высокой подвижностью и живой силой перемещающейся воды во всех условиях ее существования. Вследствие этого она является мощным геологическим фактором развития земной поверхности. Гидросфера играет исключительно важную роль в образовании и разрушении горных пород и минералов и существенно влияет на происходящие геологические процессы, многие из которых и возможны только при наличии водной среды.

Биосфера это зона распространения живых организмов (включая растения), образующая прерывистую не сплошную органическую оболочку Земли. Биосфера тесно связано с атмосферой и гидросферой. В геологии биосфера рассматривается только с точки зрения ее влияния на изменения, протекающие в земной коре. При этом роль организмов в образовании горных пород и полезных ископаемых огромна. Достаточно вспомнить обширные области, сложенные известняками или образования каменного угля, торфа, фосфоритов, самородной серы и многих других пород и минералов, являющихся продуктами органической жизни.