2. Основные механизмы и процессы, управляющие системой Земля

2.1. Геосферы Земли, их особенности

2.1.1. Литосфера Земли

Для того, чтобы понять и представить масштабы геоэкологического воздействия человека на окружающую среду, необходимо рассмотреть некоторые вопросы, связанные с глубинным строением Земли.

Земля – одна из внутренних планет солнечной системы, расположенных на относительно небольшом расстоянии от Солнца. Это (Меркурий, Венера, Земля, Марс) так называемые каменные планеты, состоящие из твердых, в основном силикатных пород. Размеры Земли и расстояние ее до Солнца принимаются при сравнении с другими планетами за единицу.

Земля – несколько сплющенный у полюсов эллипсоид с экваториальным радиусом 6378 и меридиональным – 6357 километров. Разница радиусов незначительна по сравнению с перепадами земного рельефа (до20 километров) между океаническими впадинами глубиной более 11 километров и высочайшими горами – выше 8 километров (Эверест).

Земля – третья от Солнца планета. Средний радиус ее орбиты 150 миллионов километров. Расстояние от Солнца не столь близкое, как у горячих планет Меркурия и Венеры, и не столь удаленное, как у холодного Марса. Земле достаются умеренно теплые солнечные лучи. По новейшим данным, масса Земли составляет 6 10²¹ т, объем — 1,08310¹² км³, площадь поверхности — 510,2 млн км². Размеры, а следовательно, и все природные ресурсы нашей планеты ограничены.

В этих условиях быстро происходило охлаждение земной атмосферы, из водяных паров образовалась вода, возникла гидросфера – водяная оболочка Земли, какой лишены другие планеты. А гидросфера под живительными лучами Солнца породила жизнь, которая в дальнейшем способствовала обогащению земной атмосферы кислородом. С расцветом жизни возникла биосфера, появился венец творения – человек, а с ним ноосфера – область активной деятельности человека, которая представляет также важную геологическую силу. Таковы многие следствия выгодного положения Земли относительно Солнца.

Земля неоднородна по своему составу, на глубинах ее, как предполагают, находятся тяжелые плотные массы. К этому выводу еще в прошлом веке пришел известный французский ученый А. Добре. Он отметил, что вычисленная Ньютоном в 1736 году (по отношению объема и массы) плотность земли значительно больше, чем плотность горных пород, известных нам на ее поверхности (удельный вес гранитов 2,8 грамма в кубическом сантиметре). А, следовательно, рассуждал этот ученый, на глубине должны находиться более тяжелые массы. Чтобы представить возможный состав глубинных недр земли, А Добре в середине прошлого обратился к метеоритам. Он считал, что метеориты образовались из обломков разрушенных планет, похожих на Землю, и поэтому по ним можно представить и состав нашей Земли.

Рис. 2.1. Вид Земли из космоса

Среди метеоритов - космических тел, падающих на Землю, - уже давно были известны разные их типы: металлические или железные, содержащие кроме железа, также никель; железокаменные и преобладающие – каменные. По мнению А. Добре, именно такой материал и слагает нашу Землю. Тяжелый материал из железа и никеля сконцентрировался в ядре планеты, которое было названо «нифе» (никель – железо). Оболочку ядра, сложенную тяжелыми силикатами железа и магния, сходными по составу с каменными метеоритами, назвали «сима» (силиций и магний). Подобные породы действительно находят среди ультраосновных (бедных кремнекислотой) силикатных пород – перидотитов, встречающихся в глубинных трещинах земной коры. Самую внешнюю легкую оболочку назвали «сиаль». Для нее характерны породы типа гранитов, богатых алюминием и кремнеземом.

С момента открытия Добре зонального открытия Земли – представления о металлическом ядре и силикатных оболочках – прошло много времени, но основные положения предложенной им схемы сохранили силу. Остались и старые термины, геологи говорят о симатической и сиалической оболочках Земли. Эти преставления подтвердились исследованиями геофизиков.

Основной метод изучения земных недр – глубинное сейсмическое зондирование – основан на изучении распространения сейсмических волн при искусственных взрывах или землетрясениях. Скорость их распространения закономерно возрастает от 5 километров в секунду во внешней оболочке земли до 11 в ее центре, что объясняется повышением плотности земных масс с глубиной. На этом фоне отмечаются и «скачки» – перепады скоростей, отвечающие внутренним поверхностям разделов сфер различной плотности.

Современная модель глубинного строения Земли, по данным сейсмических исследований, такова. В центре Земли находится твердое металлическое ядро, отвечающее представлениям о «нимфе» и сходное по составу с железными метеоритами. Внутреннее ядро облекается внешним ядром тоже металлического состава, но жидким (в нем не распространяются, как это происходит в твердой среде, поперечные сейсмические волны). Предполагают, что именно в этой жидкой оболочке и находится генератор магнитного поля Земли.

Советские ученые С. Монин, О. Сорохтин и Л. Зоненшайн недавно высказали предположение, что на границе внешнего ядра с облекающей его твердой оболочкой (мантией) происходит стягивание тяжелых металлических элементов к центру Земли, что приводит к разрастанию металлического ядра планеты, и идут процессы плавления и химического разделения расплавов. Эти же авторы предполагают, что у границы внешнего металлического ядра находится оболочка из окислов железа.

Широко распространено представление, что мантия Земли состоит из силикатов железа и магния. Мантию сравнивают с каменными метеоритами или хондритами (метеоритами, состоящими из округлых шариков – хондр), в составе которых участвуют железомагнезиальные силикаты, а также с ультраосновными, бедными кремнеземом породами типа перидотитов. Их находят в глубинных частях долин на континентальных склонах океанического дна и в массивах ультраосновных пород, образованных из глубинных расплавов, поднимающихся по трещинам под действием тектонических сил. Внешне мантию можно представить как серовато-зеленую породу типа змеевика, который применяют в скульптуре и в архитектуре.

В мантии выделяют две части: нижнюю и верхнюю. Границы между ними очень отчетливы. В верхней мантии примечателен один слой на глубине 100-120 километров от поверхности Земли, где резко падает скорость сейсмических волн. Полагают, что здесь лежит ослабленная зона частичного плавления – астеносфера. Считают, что именно она ответственна за многие процессы, зарождающиеся в глубинах Земли: внедрение расплавов, тектонические движение земной коры и др.

Выше астеносферы располагается литосфера – верхняя твердая оболочка, объединяющая верхнюю часть мантии и земную кору. Схема строения литосферы приведена на рис 2.2. Границу коры и мантии Земли устанавливают по четкой поверхности раздела, отмеченной перепадом скоростей сейсмических волн. Эта поверхность названа по имени ее первооткрывателя, югославского геофизика Мохоровича, поверхностью Мохо, или поверхностью М. В океанах она находится на глубинах 5-10 , на континентах  в среднем 50 километров. Выше лежит «базальтовый слой» (скорость распространения волн такая же, как в базальтах), а еще выше – «гранитный слой», тоже назван условно по сравнению скоростей распространения волн с типовыми в гранитах. Самую внешнюю оболочку образует осадочный слой.

Главную часть Земли – 1/2 ее радиуса и более 60 процентов массы – составляет мантия. Это отвечает и большому распространению каменных метеоритов, из которых, как считают, возникла мантия. В два раза меньше по массе ядро (радиус внутреннего твердого ядра 1271, а поперечник жидкого внешнего – 2200 километров.). Ничтожно мала мощность земной коры – всего 1/200 радиуса Земли, тонкая пленка на ее поверхности! И еще тоньше осадочная внешняя оболочка.

Рис. 2.2. Схема строения литосферы

Земная кора– это верхняя часть литосферы. Внешняя граница земной коры соприкасается с гидросферой, атмосферой и биосферой.

Нижняя граница проходит на глубине 8-80 километров. Эту нижнюю границу называют разделом Махоровича. Положение земной коры между мантией и внешними оболочками (атмосферой, биосферой, гидросферой) обусловливает воздействия на нее внешних и внутренних сил земли.

Строение земной коры неоднородно, верхний слой, который колеблется до 20 километров, сложен осадочными породами: песком, глиной, известняком и др. Строение осадочных пород подтверждают данные, полученные при изучении кернов бурильных скважин, а также результатов сейсморазведки. Породы эти рыхлые. Скорость прохождения сейсмоволн невелика. Ниже, под материками расположен так называемый гранитный слой, сложенный породами, плотность которого соответствует плотности гранита. Скорость прохождения сейсмических волн в этом слое, как в граните, равна от 5,5 до 6 км/с. Под океанами гранитный слой отсутствует. На материках в некоторых местах гранитный слой выходит на поверхность.

Еще ниже расположен слой, в котором скорость сейсмоволн 6,5 км/с. Такая скорость распространения характерна для базальта, следовательно, несмотря на то, что этот слой сложен разными породами, его называют базальтовым.

Граница между гранитными и базальтовыми слоями называется поверхностью Конрада. Этому разделу соответствует скачек 6 – 6,5 км/с.

В зависимости от строения и мощности выделяют два вида земной коры – материковую и океаническую.

Под материками кора содержит все три слоя (осадочный, гранитный, базальтовый). Мощность коры на равнинах достигает 15 километров, а в горах достигает 80 километров. В океанах во многих местах кора вообще отсутствует, а базальты покрыты тонким слоем осадочных пород. В глубоководных слоях океана мощность коры составляет от 3 до 5 километров.