Модель внутреннего строения Земли

Индивидуальное лицо планеты во многом определяется внутренними факторами, возникающими в её глубинных недрах. В современном представлении Земля – это сложный многослойный объект. Каждый из слоёв имеет достаточно сложную структуру, которая изучается различными геофизическими методами.

Для исследования глубин планеты используются сверхглубокие скважины, такие как Лесото в Южной Африке, российская глубочайшая скважина в мире (12 262м) на Кольском полуострове, Сааблинская (8 324м) на территории Азербайджана, Оберпфальц (9 000м) в Баварии. Но основная информация о внутреннем строении Земли получена в результате исследований сейсмических волн, возникающих при землетрясениях и мощных взрывах.

Каждый час в различных точках Земли регистрируется около 10 колебаний земной поверхности. Смещения земной поверхности регистрируются сейсмографами, установленными по всему земному шару.

Внутреннее строение Земли и всех планет земной группы описывается трёхслойной моделью: ядро, мантия, кора. Для тех небесных тел, которые изучены лучше других (Земля, Луна) эта схема немного усложняется. Различают внутреннее и внешнее ядро, нижнюю и верхнюю мантию (рис.1.30).

Земная кора представляет собой верхнюю твёрдую оболочку Земли и имеет сложный рельеф. В рельефе суши различают горные системы, плоскогорья и равнины, а также подчинённые им формы. Земная кора – это продукт дифференциации вещества мантии, то есть разделения этого вещества по плотности. Более легкоплавкое и менее плотное вещество, в соответствии с законом Архимеда, всплывало сквозь толщу мантии иногда по межмолекулярным

Рис.1.30. Модель внутреннего строения Земли

промежуткам, а иногда по трещинам, образовавшимся между отдельными блоками.

Толщина земной коры (внешней оболочки) изменяется от нескольких километров (в океанических областях) до нескольких десятков километров (в горных районах материков). На долю сферы земной коры приходится всего 0,5% общей массы планеты. В качестве среднего показателя для всей планеты толщина земной коры принята равной 33км, а среднее значение плотности составляет 2,67г/см³. Такая толщина может показаться значительной, но по сравнению со средним радиусом Земли земная кора напоминает скорее скорлупу яйца.

В составе вещества земной коры выявлено 89 из 105 элементов периодической системы Менделеева. Химические элементы земной коры образуют природные химические соединения – минералы, а те, в свою очередь, путём химического или чаще механического соединения – горные породы.

Основной состав коры - это окислы кремния, алюминия, железа и щелочных металлов. В составе континентальной коры, содержащей под осадочным слоем верхний (гранитный) и нижний (базальтовый) слои, встречаются наиболее древние породы Земли, возраст которых оценивается более чем в 3 млрд. лет. Океаническая кора под осадочным слоем содержит в основном один слой, близкий по составу к базальтовым. Возраст осадочного чехла не превышает 100-150 млн. лет.

Образование земной коры продолжается и в настоящее время. Так, океаническая кора формируется в рифтовых и разломных зонах срединно-океанических хребтов, а континентальная – в зонах перехода от океана к континенту. Островные дуги по периферии океанов – это фрагменты сформировавшейся континентальной земной коры. Не следует думать, что вся континентальная кора находится ниже уровня Мирового океана. Так, вся шельфовая зона и верхняя часть континентального склона – это материк, прослеживающийся под уровнем моря.

В теории геологической эволюции Земли появились новые идеи о роли подземной гидросферы в образовании и динамике земной коры. Появилась гипотеза о существовании дренажной оболочки в земной коре (С.М. Григорьев, 1971г.). По этой гипотезе водный раствор, всё глубже проникая в недра Земли, поступает в слой, температура которого превышает температурный предел существования его в жидком состоянии, и превращается в пар. Пар, поднимаясь, постепенно охлаждается и в верхних слоях земной коры конденсируется в воду. Вода тут же образует растворы и начинает просачиваться вниз, чтобы в недрах земной коры превратиться в пар и снова начать восходящее движение. Две границы, на которых вода претерпевает превращения, заключают внутри себя дренажную оболочку нашей планеты. Вода в дренажной оболочке присутствует всюду и перемещается не только по вертикали, но и по горизонтали. При этом подземная гидросфера совершает огромную работу. Вниз она несёт хорошо растворимые в воде вещества, вверх – летучие вещества. Планетарный кругооборот подземной гидросферы должен проявиться в долгопериодических и вековых изменениях поля силы тяжести Земли.

От нижележащей мантии земную кору отделяет слой Мохо (поверхность Мохоровичича), названный так в честь сербского сейсмолога Мохоровичича, открывшего его в 1909г. на глубине около 35км. В этом слое скорость распространения сейсмических волн скачкообразно увеличивается. Эту границу стали считать границей земной коры или границей Мохо. В океане она расположена ближе к поверхности Земли на глубине 10-15к, в горных районах она уходит вглубь до 50-80км.

Слой мантии простирается от основания земной коры на глубину 2900км. Мантия разделена на два участка: верхняя мантия от основания земной коры до 1000км и нижняя мантия от этой глубины до границы ядра.

На долю мантии приходится около 67% общей массы планеты. Твёрдый слой верхней мантии, распространяющийся до различных глубин под океанами и континентами, совместно с земной корой называют литосферой – самой жёсткой оболочкой Земли. Она отличается своей способностью выдерживать большие поверхностные нагрузки без прогибания.

Под ней находится слой, менее вязкий и более пластичный по отношению к выше и ниже лежащим слоям, который называют астеносферой («астенос» по-гречески мягкий). Температура астеносферы близка к точке плавления, поэтому астеносфера не такая прочная и со временем деформируется под воздействием прилагаемых сил. В астеносферном слое располагаются первичные очаги вулканизма и проявляются процессы, приводящие к тектоническим движениям в земной коре. Поэтому для мониторинга и прогноза вулканических и сейсмических проявлений важно знать глубину астеносферы и её соотношение с вышележащей литосферой.

Следующий слой называется мезосферой. Мезосфера более прочная, чем астеносфера, но более вязкая, чем литосфера. Мезосфера простирается до ядра и таким образом включает большую часть мантии. Считается, что вещество мантии находится в непрерывном движении и что в относительно глубоких слоях мантии с ростом температуры и давления происходит переход вещества в более плотные модификации.

В нижней мантии на глубине 2900км отмечается резкий скачок плотности, что указывает на смену вещественного состава пород. Это внешняя граница ядра Земли.

В 1906г. было доказано, что Земля имеет центральное ядро, а в 1914г. удалось определить глубину его залегания (2885км). Центральная геосфера Земли, её ядро, занимает около 17% объёма Земли и составляет 34% её массы. Его разделяют на две отдельные области: жидкую (внешнее ядро) и твёрдую (внутреннее ядро). Переход между ними лежит на глубине 5156км. Существование твёрдого внутреннего ядра Земли обнаружила в 1936г. датский сейсмолог Инге Леманн, указав, что оно расположено на глубине около 5000м.

По современным данным, внешнее ядро представляет собой вращающиеся потоки расплавленного железа и никеля, хорошо проводящие электричество. Именно с ним связывают происхождение земного магнитного поля, считая, что электрические токи, текущие в жидком ядре, создают глобальное магнитное поле. Слой мантии, находящийся в соприкосновении с внешним ядром, испытывает его влияние, поскольку температура в ядре выше, чем в мантии. Температура внешнего ядра меняется от 10 000°К до 1700°К на границе с мантией.

Таблица 6

Геосфера	Глубина, км	Состояние
Кора	10-70	Твёрдое
Мантия верхняя		Полужидкое
Мантия нижняя	1000-2900	Твёрдое
Ядро внешнее	2900-5270	Жидкое
Ядро внутреннее	5270-6370	Твёрдое

Внутреннее ядро (иногда его называют субядром) радиусом 1 200км не связано с мантией. Полагают, что его твёрдое состояние, несмотря на высокую температуру, обеспечивается гигантским давлением в центре Земли. Расчёты показывают, что в земном ядре давление может достигать 3 млн. атмосфер. При таком давлении многие вещества как бы металлизируются.

Рис. 1.31. Химический состав Земли

Существует даже гипотеза, что ядро Земли состоит из металлического водорода. Температура ядра достигает 10 000°К на границе внешнего и внутреннего ядра (больше, чем температура внешних слоёв Солнца) и повышается в центре почти до 49 000°К, а его плотность примерно в два раза меньше, чем средняя плотность Земли и составляет 3 г/см³. В табл.6 приведены основные характеристики геосферы.

Химический состав Земли похож на состав других планет земной группы (рис.1.31). На нашей планете преобладают в целом такие элементы как (в порядке убывания): железо, кислород, кремний, магний, никель, сера. Содержание лёгких элементов невелико.

По геологическим и геохимическим данным до глубины 16км подсчитан усреднённый химический состав пород земной коры.

Эти данные постоянно уточняются и на сегодня выглядят следующим образом: кислород – 47%, кремний – 27,5%, алюминий – 8,6%, железо – 5%, кальций, натрий, магний и калий – 10,5%, на все остальные элементы приходится около 1,5%, в том числе, на титан 0,6%, углерод 0,1%,
медь 0,01%, свинец 0,0016%, золото 0,0000005%. Очевидно, что первые восемь элементов составляют почти 99% земной коры и только 1% приходится на остальные (более сотни) элементов таблицы Д.И. Менделеева (1834-1907).

В числе многих элементов, входящих в состав Земли, имеются и радиоактивные. Их распад, а также гравитационная дифференциация вещества (перемещение более плотных веществ в центральные, а менее плотных в периферические области планеты) приводят к выделению тепла. Максимальная температура на поверхности приближается к 60°С (в тропических пустынях Африки и Северной Америки), а минимальная составляет около -90°С (в центральных районах Антарктиды).

Температурный режим в пределах земной коры своеобразен. На некоторую глубину в недра проникает тепловая энергия Солнца. Суточные колебания температуры наблюдаются на глубинах от нескольких сантиметров до 1-2 метров. Годовые колебания в умеренных широтах достигают глубины 20-30м. На этих глубинах залегает слой пород с постоянной температурой – изотермический горизонт. Его температура равна средней годовой температуре воздуха в данном регионе. В полярных и экваториальных широтах, где амплитуда колебания годовых температур мала, изотермический слой залегает близко к земной поверхности.

Ниже изотермического горизонта температура повышается, что обусловлено внутренним теплом Земли. В среднем увеличение температуры на 1°С происходит при заглублении в земную кору на 33м. Эта величина называется геотермической ступенью. В разных регионах Земли она различна, Полагают, что в зонах вулканизма она составляет 5м, а в спокойных платформенных областях возрастает до 100м.

Модель внутреннего строения Земли имеет не только геофизическое значение. Она используется в геодезии для строгого решения редукционных задач, построения уровенных поверхностей силы притяжения и тяжести, для представления массы планетарного тела точечными массами. Земля неоднородна, симметрия масс нарушается большими аномалиями плотностей в коре и астеносфере Земли. Для изучения неоднородностей масс в теле Земли можно использовать теорию моментов инерции, рассмотренную выше.

Дата добавления: 2014-11-18