ЛЕКЦИЯ № 4

СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ

Благодаря форме, размерам и движениям, Земля приобрела оболочечное строение. Оболочки, или геосферы, выделяются обычно по составу и фазовому состоянию вещества. Поскольку таких признаков и характеристик у планеты бесчисленное множество, можно выделить и бесконечное множество геосфер по набору принимаемых во внимание признаков (переменных). Конечное множество геооболочек и их частей выделяется в качестве объекта и предмета исследований соответствующих наук: атмосфера и гидросфера - географические науки; биосфера - биологические науки, земная кора, мантия, ядро - геолого-географические науки. Взаимодействия всех этих оболочек определяют современный облик, а также развитие геологических процессов в настоящем и в прошлом.

Внутреннее строение Земли

По скорости распространения сейсмических волн, возникающих при землетрясениях или искусственно вызванных, внутри Земли выделяют три разнородные по составу и состоянию вещества оболочки - земная кора, мантия и ядро (см. рис 3). В свою очередь,, каждая оболочка делится на слои, различающиеся по определенному набору признаков. По соотношению диаметров эти оболочки можно представить в виде поперечного разреза куриного яйца: ядро - желток, мантия - белок, земная кора - тонкая пленка между белком и скорлупой. Кратко охарактеризуем эти оболочки, имея ввиду, что их физические параметры были изложены в предыдущей главе, а земная кора, как объект геологии, будет рассмотрена в последующем изложении.

Земная кора - верхняя, каменная оболочка Земли, толщиной от 6 - 10 км под океанами до 35 - 40 км пол равнинными территориями континентов и до 70 - 80 км под горными сооружениями (чем выше горы, тем глубже проникают их "корни"). По объему она составляет не более 1,2%. а по массе - 0,7% всей Земли. Слагающие земную кору горные породы включают все элементы периодической системы Менделеева. Наибольшая их весовая доля приходится на кислород, кремний и алюминий, поэтому земную кору называют сиалической (Si + Аl). Плотность вещества с глубиной растет от 2,7 г/см³ до 3,0 г/см³ , здесь же наблюдаются максимальные для Земли градиенты температур - 30°С/км.

Мантия Земли - распространяется от подошвы земной коры (6 - 80 км) до внешней границы ядра (2900 км). По многим признакам она существенно отличается от коры, состоит в основном из окислов кремния, магния и железа и поэтому ее нередко называют сима (Si + Mg). По состоянию вещества выделяют верхнюю мантию до глубины 800 - 1000 км и нижнюю мантию - от 1000 км до 2900 км. Между ними и на границах мантии нередко выделяют промежуточные, переходные слои. Давление в мантии нарастает с глубиной и на границе с ядром достигает гигантских величин - 1,3 млн. атмосфер, плотность вещества увеличивается от 3,5 г/см³ до 5,5 г/см³ , а температура достигает 3000°С. В верхней мантии лежат очаги землетрясений, "корни" вулканов, определяющих относительную стабильность одних участков и подвижность (вертикальную и горизонтальную) других.

Земное ядро составляет примерно 34% массы Земли и распространяется от подошвы мантии (2900 км) до центра планеты (6370 км). О составе ядра Земли нет пока единой точки Зрения. Многие полагают, что оно состоит в основном из силикатов в металлическом состоянии, железа, никеля и часто его называют нифе (Ni + Fe). Однако независимо от состава под влиянием колоссальных температур и давлений вещество ядра полностью вырождается: оно переходит в так называемую металлическую фазу, когда электронные оболочки атомов разрушаются и возникают гигантские вихри электронов, ответственных за возникновение рассмотренного выше постоянного магнитного поля планеты.

Как и мантию, ядро подразделяют на внешнее ядро (от 2900 км до5100 км) и внутреннее ядро (от 5 100 км до центра планеты).

Разделение вещества Земли по плотности на геосферы - сложный и длительный процесс, который продолжается и в настоящее время. Предполагают, в частности, что этот процесс наиболее активно протекает на границе мантии и внешнего ядра; здесь вещество нижней мантии частично расплавляется и при этом более тяжелый материал погружается и присоединяется к ядру, а более легкий как бы всплывает и поступает в верхние слои мантии, Такой процесс расслоения вещества по плотности принято называть ликвацией. В результате этого происходит, с одной стороны, рост ядра, а с другой - рост верхней мантии и все это за счет нижней мантии.

С изложенными особенностями строения земного шара связаны магнитное, гравитационное и электрическое поля, которые, с одной стороны, порождены этим строением, с другой - определяют многие его свойства.

Представления о составе и строении глубинных слоев Земли сложились по косвенным данным и носят пока в значительной мере гипотетический характер, поэтому в литературе могут встречаться и другие характеристики, что вполне нормально для современного уровня знаний и инструментальных возможностей.

Литосфера и типы земной коры.

Литосфера (от греч. "литос" - камень) представляет собой верхнюю "твердую" оболочку Земли, имеющую большую прочность и переходящую без резкой границы в нижележащую астеносферу, прочность веществ которой относительно мала (рис. 4).

В 1914 г. американский геолог Джозеф Баррел высказал идею, что в мантии существует пластичная оболочка, сложенная разогретым веществом. Он назвал ее «астеносферой» (греч. «астенос» - слабый, «сфера» - шар). В 1926г. немецкий геофизик Бено Гутенберг (1889-1960), изучая прохождение сейсмических волн, установил, что в верхней мантии, действительно, существует зона, где скорость поперечных волн уменьшается на 3—5%. Ее стали называть астеносферой. Предполагается, что доля расплавленных пород в ней, возможно, составляет всего 1-3%.

Рис. 4. Схема строения литосферы Земли:

под океанами и континентами строение земной коры различно

Но благодаря этому, астеносфера обладает пластичностью, меньшей вязкостью, текучестью. Получены указания на то, что это не сплошная оболочка, а отдельные прерывистые астенолинзы. Под континентами астеносфера залегает на глубине 150 км, под океанами - 15-150 км.

Залегающую выше астеносферы твердую плотную оболочку (включая земную кору) стали называть, как это предложил Дж. Баррел, литосферой (греч. «литос» - камень).

Земная кора - верхний слой каменной оболочки Земли (литосферы), отделенный от нижележащей астеносферы поверхностью Мохоровичича (слой. Мохо), где происходит скачкообразный рост скорости распространения сейсмических волн. Таким образом, литосфера состоит из двух оболочек (земная кора и верхняя астеносфера), хотя в литературе эти понятия нередко рассматривают в качестве синонимов. Включение верхней астеносферы в состав литосферы оправдано по следующим причинам, имеющим отношение к поверхностным процессам и явлениям, в т. ч. и к экологическим:

1. Здесь находятся очаги землетрясений и корни вулканов;

1.В ней происходят перемещения подкоровых масс, сопровождающие основные тектонические процессы, в т.ч. и дрейф литосферных плит;

2. Астеносфера является источником эффузивного и интрузивного магматизма и магматического породообразования;

3.Через астеносферу совершается глобальный круговорот вещества литосферы.

В отличие от более разнообразной по составу земной коры, астеносфера сложена главным образом ультраосновными породами оливин-пироксенового состава (дунит, перидотит, пироксенит).

Земная кора обладает сложным вертикальным строением и горизонтальной неоднородностью, Нижняя граница земной коры имеет относительно правильную сферическую форму (слой Мохо) и располагается под океанами на глубине 6-10 км, под материками - 60-80 км.

Верхняя граница коры имеет более сложные очертания, в чем отражаются особенности ее внутреннего строения (рис.5).

Верхняя крутая часть кривой до отметки 0 м дает представление о суше, площадь которой 149 млн. км² при средней высоте 840 м. Наибольшая часть суши занята равнинами, включая плоскогорья. Ниже нулевой отметки располагается то океана общей площадью 361 млн. км² (71% всей поверхности Земли) и средней глубиной 3800 м. На дне Мирового океана выделяют несколько структурно-морфологических областей (морфоструктур): материковая отмель, или шельф подводная окраина материков) до глубины 200-250 м; материковый склон с подножьем до 3000 м; ложе океана до 6000; глубоководные желоба до 11000 м и подводные срединно-океанические хребты с относительной высотой до 2000 -1000 м.

Типы земной коры

По своему внутреннему строению и проявлению на поверхности Земли различают два типа земной коры: континентальную, из которой состоят материки, и океаническую, образующую дно Мирового океана. Континентальная, или материковая кора гораздо старше: некоторые ее участки датируются в 3,8 млрд. лет, в то время как возраст океанической коры, составляет 150 млн. лет, а по некоторым данным не превышает 30 - 50 млн. лет. Различия в возрасте двух блоков коры связаны с направленностью их эволюции в геологической истории, продолжающейся и в настоящее время.

Материковая кора отличается большей мощностью (до 80 км), и более сложным устройством. Она состоит из трех pазнородных по составу, толщине и плотности слоев: верхнего - осадочного, среднего - гранитного и нижнего – базальтовoгo (рис. 5).

Рис. 5. Схема строения земной коры: континентов и океанов

Верхний наиболее тонкий слой (в среднем около 3 км) слагают глины, песчаники, известняки и другие осадочные породы разного геологического возраста средней плотностью 2,6 г/см³. Именно в нем сосредоточены залежи энергетических ресурсов - уголь, нефть, газ.

Их происхождение связано с накоплением и изменением в недрах Земли органического вещества, т. е. остатков живших когда-то организмов.

Мощность осадочного слоя переменна: в местах прогибания земной коры и длительного осадконакопления (например, в дельте Ганга) она достигает 15 км, а местами сходит на нет, например, в Скандинавии.

Под осадочным залегает гранитный слой, состоящий в основном из гранитов, а также гранодиоритов, диоритов, сланцев и т.п. Средняя мощность слоя составляет 15 км, а под высокими горами она может достигать 30-40 км. Плотность пород возрастает до 2,6 - 2,8 г/см³. Растет скорость распространения сейсмических волн от 2-5 км/сек в осадочном слое до 5,5 - 6,5 км/сек. В гранитном слое сосредоточена большая часть руд ценных металлов, а также радиоактивных элементов и соединений. Гранитный слой развит под материками, а под океанами он развит только в области шельфа и окраинных морей, которую называют подводной окраиной материков. Далее в сторону ложа Мирового океана гранитный слой выклинивается (см. рис. 4).

Гранитный слой подстилается базальтовым мощностью 15-20 км, в который не проникла еще ни одна скважина:, Поверхность раздела между гранитным и базальтовым слоями называется границей Конрада, которая обнаруживается по скачкообразному росту скорости прохождения сейсмических ноли до 7,3 км/сек. Растет также плотность пород до 3,0-3,3 г/см³. В этом, самом нижнем, слое земной коры сосредоточены большие запасы тяжелых металлов - железа, титана и др.

Ниже базальтов лежат верхние слои астеносферы, входящие в состав литосферы. Напомним, что граница между этими слоями называется поверхностью Мохоровичича, или Мохо.

Совершенно иное, более простое строение имеет земная кора под океанами (см. рис. 4). Здесь под относительно тонким слоем (в среднем 0,7 км) рыхлых осадочных пород залегает базальтовый слой толщиной 5-10 км, т. е. гранитный слой под океанами отсутствует. Кроме того, под океанами базальтовый слой втрое тоньше, чем под материками.

В последнее время в базальтовом слое выделяют два подслоя, различающихся по составу пород: верхний, мощностью около 2 км слагается преимущественно базальтами, а нижний, толщиной 5-6 км - высокотемпературными ультраосновными породами (серпентиниты). Точно также осадочный слой океанической коры можно разделить на два относительно самостоятельных подслоя. Верхний из них сложен рыхлыми осадками (преимущественно это красные глины со множеством железо-марганцевых конкреций). Второй подслой представлен осадочными горными породами (известняки, кремнистые породы), переслаивающими с базальтами.

Эти особенности строения океанической коры являются следствием ее развития с преобладанием нисходящего движения, что более подробно будет рассмотрено ниже.

Для океанической коры характерны весьма примечательные формы рельефа: ложе океана, срединно-океанические хребты и глубоководные желоба (рис. 6).

Ложе океана представляет собой обширные равнинные пространства, занимающие более половины дна океана. Срединно-океанические хребты представляют собой грандиозную и непрерывную систему хребтов общей протяженностью более 60 тыс. км (1,5 раза больше экватора) и распространяющуюся по дну всех океанов. Хребты представляют парную систему, в осевой части которой располагаются рифтовые долины - протяженные провалы с крутыми боковыми стенками. Сами хребты и рифтовые долины обычно лишены осадочного чехла и сложены нижележащими базальтами молодого возраста (менее 1 млн. лет). Срединно-океаническим хребтам свойственны большая сейсмичность, тектоническая активность, интенсивный вулканизм, повышенный приток глубинного тепла и выходы высокотемпературных минерализованных вод преимущественно сульфидного состава.

Другими характерными для дна океана формами рельефа читаются глубоководные желоба. Они представляют собой мы вытянутые на несколько тысяч километров узкие (десятки км) понижения дна ниже 5-6 тыс.м максимальной глубиной до 11 км (Марианская впадина). Они могут быть прямыми, а чаще дугообразные и сочетаются с островными дугами с океанической стороны (Курильская дуга и др.) Склоны обычно крутые, дно желобов выложено осадками толщиной до 2-3 км.

Желоба и обрамляющие их островные дуги - области повышенной сейсмичности и активного вулканизма. Наибольшее развитие они получили по периферии Тихого океана, за что эта область получила наименование Тихоокеанского огненного кольца.

Возникновение и развитие земной коры

Нa основе господствующих космогонических гипотез и геолого-геофизических данных вся история развития Земли и имея на два этапа: догеологический и геологический. Догеологический или лунный этап охватывает начальный этап формирования планеты из газо-пылевого облака, завершившимся образованием внутренних геосфер. Геологический этап начинается с появления твердой, жидкой и газовой оболочек, т е земной коры, гидросферы и атмосферы. Принято считать, что все эти оболочки образовались из вещества мантии одновременно в геологическом масштабе времени. Возраст наиболее древних горных пород земной коры (материковой) определен в 4,2 млрд. лет. С этого времени начинается продолжающаяся до настоящего времени активная тектоно-магматическая жизнь земной коры, с чем связаны особенности ее внешнего облика, внутреннего строения и состава слагающих ее вещества (минералов и пород). Здесь рассмотрим лишь процессы, ответственные за расчленение земной коры два качественно различных типа - материковый и океанический.

На протяжении всей своей истории земная кора подвергалась двум противоположно направленным механизмам: денудация, т. е. эрозия, размыв и снос вещества материков, и аккумуляция - накопление твердого и растворенного вещества сноса на дне Мирового океана.

Подсчитано, что ежегодно реки, ледники и ветер в результате денудации выносят с материков в океаны около 25 млрд. твердого и растворенного вещества. Оценивая общее-количество вещества, снесенного с материков в океаны за время существования земной коры, мы получим фантастическую величину: окажется, что за 4 млрд. лет на дне океанов должны были накопиться осадочные породы общей массой около 11x10⁸ трлн. т. При такой массе осадочный слой земной коры имел бы толщину в 120 км., в то время как современная кора, состоящая из всех трех слоев, имеет среднюю толщину 30-33 км, а масса осадочных пород составляет 5x10⁷трлн. т., что дает наблюдаемую среднюю его толщину в 5-6 км, а под океанами около 1 км.

Другой парадокс. При сохранении приведенных выше темпов денудации вся суша Земли должна быть снесена в океаны за 10 млн. лет, т.е. за последние 600 млн. лет (фанерозой), когда площадь суши мало отличалась от современной, она 60 раз могла быть смыта! Возникшую проблемную ситуацию надо как-то объяснить. Здесь возможны два варианта: либо темпы денудации в прошлом были в сто и более раз меньше нынешних, что невероятно, либо большая часть осадочных пород в процессе эволюции земной коры куда-то девалась, исчезла под влиянием каких-то эффективных механизмов превращения осадков во что-то другое. Другой вопрос: если материки могут быть полностью снесены в океаны за 10 млн. лет, а они по геологическим материалам существуют сотни миллионов и миллиарды лет, то должны быть эффективные механизмы их непрерывного восстановления и возрождения.

Ответ на эти и другие трудные вопросы геологии земной коры дает идея круговорота вещества литосферы.

В предельно упрощенном виде эту гипотезу можно объяснить по аналогии с ледяным покровом морей, при которой ледяные поля - дно океанов, торосы, образующиеся на месте столкновения полей, - материки. Надо при этом помнить, что примерно 9/10 толщины льда находится под уровнем воды в море.

В этих обстоятельствах, если ледяной покров будет нагружаться дополнительной массой (выпадение снега), то льды начнут погружаться, а их основание подтаивать и, наоборот, если льды будут подтаивать сверху, то они всплывут. В геологии это явление называется изостазией (от греч. "изостазиус" - равный, равновесный) - состояние гидростатического равновесия земной коры и ее частей, проявляющееся в том, что на определенной глубине (100 - 150 км) верхней астеносферы достигается равновесие между давлением вышележащих слоев и выталкивающей силой.

Приведенный пример позволяет рассмотреть по аналогии и процессы, происходящие в земной коре (рис. 6).

Рис. 6. Круговорот вещества земной коры

При осаждении сносимого с материков твердого и растворенного вещества дно океанов перегружается и начинает погружаться в астеносферу, а на материках прослеживается противоположный процесс - ежегодный снос упомянутого выше 25 млрд. т вещества делает их легче и они всплывают. В результате этого возникает неравенство масс вещества под двумя блоками земной коры, что задает импульс к движению масс астеносферы из-под океанической коры под материки.

Таким образом, возникает круговорот вещества земной коры, при котором восходящее движение материков и нисходящее движение дна океанов объединяются между собой двумя противоположно направленными ветвями движения масс - поверхностная денудация (от материков к океанам) и глубинный переток вещества астеносферы из-под океанов под материки.

Круговорот вещества земной коры сопровождается сложными физико-химическими процессами преобразования минерально-породного состава слоев коры. При нисходящем движении дна океанов рыхлый свежеотложенный осадок превращается в прочную сцементированную осадочную породу, последняя - в базальты, а базальты как бы растворяются в астеносфере.

Под материками развивается противоположный процесс: к подошве материков как бы припаивается вещество астеносферы, образуя базальтовый слой. Попадая в более высокие горизонты, базальты подвергаются воздействию высокотемпературных паро-газовых растворов, преобразующих базальты в граниты, а последние в приповерхностных условиях превращаются в рыхлые осадки и осадочные породы, включаясь в верхнюю ветвь движения вещества (от материков к океанам)

Эта схема - пока всего лишь гипотеза, но она лучше других объяснение упомянутым выше и другим противоречиям в строении земной коры. На этот механизм накладываются другие, не менее сложные процессы, усложняющие и корректирующие рассмотренную схему. В частности, круговорот вещества земной коры сопровождаются движениями литосферных плит, о которых речь ниже.