Внутренние сферы Земли

По современным представлениям к внутренним сферам Земли относятся: земная кора, мантия и ядро (см. рис. 2).

Земная кора. Земная кора является наиболее хорошо изученной твердой оболочкой Земли. Название «кора» исторически связано с существовавшим ранее представлением об остывании поверхностных слоев первоначально жидкого расплавленного вещества Земли. Из всех внутренних оболочек Земли земная кора яв­ляется наиболее неоднородной. По глубине в ней выделяются три слоя: самый верхний — осадочный, средний — гранитный и нижний — базальтовый. Названия среднего и нижнего слоев условны и свидетельствуют только о преобладании в них пород, физические свойства которых соответственно близки к гранитам и базальтам.

Осадочный слой сложен в основном наиболее мягкими, а иногда и рыхлыми горными породами, образовавшимися путём осаждения вещества в водных или воздушных условиях на поверхности Земли. Первоначально рыхлые осадки позднее могли сцементироваться и уплотниться, превратившись таким образом в осадочную горную породу. Осадочные породы обычно располагаются в виде пластов, т. е. сравнительно тонких пластин, ограниченных параллельными плоскостями. Плотность главнейших пород, слагающих осадочный слой, колеблется от 1 (торф, например, имеет плотность 1,057 г/см³) до 2,65 г/см (плотность песчаника).

Рис. 2 Схема зонального строения Земли. (По В. А. Маг­ницкому)

Мощность осадочного слоя на поверхности Земли очень непостоянна и меняется от нескольких метров до 10—15 км. Есть участки, где осадочный слой полностью отсутствует.

Гранитный слой сложен в основном магматическими и метаморфическими породами, богатыми алюминием и кремнием. Среднее содержание кремнекислоты в них превышает 60%, поэтому их относят к кислым породам. Плотность главнейших пород этого слоя колеблется от 2,65 до 2,80 г/см³. В местах, где отсутствует осадочный слой, гранитный слой выходит на поверхность (на так называемых щитах, например на Балтийском щите, на Канадском и др.). Мощность гранитного слоя неодинакова, она колеблется в пределах 20—40 км; местами гранитный слой отсутствует (как, например, на дне Тихого океана, в ряде внутренних морей и т. п.). Температура у нижней границы гранитного слоя доходит до 1000°С, а давление может достигать 10 000 атм. Сейсмические волны проходят через гранитный слой со скоростью 6 км/сек. У нижней границы его скорость сейсмических волн скачкообразно увеличивается до 6,5 км/сек. Эта граница гранитного слоя, определяемая по изменению скорости сейсмических волн, получила название границы Конрада.

Базальтовый слой, выделяемый в основании земной коры, присутствует повсеместно. Мощность его колеблется от 5 до 30 км. Вещество, слагающее этот слой, по химическому составу и физическим свойствам близко к базальтам, т. е. породам, менее богатым кремнеземом, чем граниты. Плотность вещества в базальтовом слое возрастает до 3,32 г/см³. Скорость прохождения продольных сейсмических волн в базальтовом слое постепенно увеличивается от 6,5 до 7 км/сек у нижней границы слоя, где происходит резкий скачок в изменении скорости и скорость становится 8— 8,2 км/сек. Эта граница изменения скорости волн прослеживается повсеместно, хотя и на различной глубине. Она принимается за нижнюю границу земной коры и называется по имени впервые (в 1909 г.) установившего ее югославского ученого границей Мохоровичича, или сокращенно Мохо, или границей М.

Рис. 3 Кривые температуры Земли и плавления вещества (по Джекобсу)

В различных частях земного шара земная кора разнородна как по составу, так и по мощности. В области некоторых океанов она состоит из маломощного осадочного слоя, под которым располагается базальтовый слой, имеющий мощность от 5 до 15 км. Подобный тип коры называется океаническим.

Земная кора под континентами обычно содержит все три слоя — осадочный, гранитный и базальтовый и достигает значительной мощности (40—50 км). Под некоторыми молодыми горными сооружениями, например под Гималаями, мощность земной коры еще больше (до 80 км). Такой тип коры носит название материкового.

Мантия. Расположенную под земной корой оболочку называют мантией, иногда подкоровым субстратом или промежуточной геосферой (А. Е. Ферсман). Это очень мощная геосфера, занимающая пространство от 8—80 до 2900 км глубины, неоднородна по своим свойствам, что устанавливается по изменению скорости распространения в ней продольных сейсмических волн.

Все основные свойства вещества — плотность, температура и др. — изменяются с глубиной, хотя само вещество в пределах ман­тии, по-видимому, находится в основном в твердом состоянии. Температура в верхних частях мантии на глубинах порядка 100 км определяется цифрой 1000—1300° С, затем с глубиной она медленно повышается, и у границы с ядром, по мнению ряда ученых, достигает 2300° С. Столь высокая температура не вызывает, однако, расплавления вещества, так как с увеличением давления температура плавления горных пород возрастает, а давление на больших глубинах достигает значений порядка сотен тысяч и мил­лиона атмосфер (см. рис. 3).

На основании изменения скорости распространения продольных сейсмических волн в мантии можно выделить три слоя: слой. В — верхняя мантия, расположенный на глубинах от 8—80 до 400 км; слой С — переходный — на глубинах от 400 до 900 км, и слой D — нижний, глубина которого доходит до 2900 км, т. е. до границы с ядром. Границы между этими слоями не очень четки, что, вероятно, связано с постепенным изменением состава вещест­ва с глубиной.

Слой В, или верхняя мантия, слагается веществом, состоящим; в основном из железисто-магнезиальных силикатов типа минералов оливина и пироксена. Интересно отметить, что близкий состав имеют каменные метеориты.

Щелочная базальтовая лава, поднимающаяся с больших глубин, иногда захватывает и выносит на поверхность отдельные куски вещества мантии — все они по составу отвечают ультраосновным породам (оливиниты, пироксениты, дуниты).

Верхняя мантия неоднородна. На основании прохождения сейсмических волн под Памиром и Тянь-Шанем установлено свыше 10 поверхностей раздела в верхней мантии, а на глубине 110—150 и 240—390 км выделяются две зоны пониженной скорости сейсмических волн. Эти зоны получили название слоя волновода. В настоящее время установлено, что волновод присутствует повсеместно, хотя и на разных глубинах, колеблющихся в пределах от 100 до 400 км. В зоне волновода плотность вещества несколько понижается, вещество становится размягченным, а местами, в оча­гах вулканов, даже расплавленным. Так, например, под Авачинским вулканом установлено присутствие на глубине от 20 до 80 км столбообразного тела, вещество которого находится в полужидком состоянии. Температура в зоне волновода достигает 2000° С.

С верхней мантией связаны явления вулканизма, многие землетрясения и тектонические процессы. В последнее время изучению верхней мантии уделяется большое внимание. В СССР и США разработаны проекты бурения скважин, доходящих до верхней мантии. У нас предполагается пробурить такую сверхглубокую скважину на Кольском полуострове, где на поверхность выходят наиболее древние архейские породы. Для разработки методики бурения сверхглубоких скважин в настоящее время заложена скважина на Прикаспийской низменности с проектной глубиной 7 км. Это будет самая глубокая скважина в мире.

В США предполагали провести бурение до верхней мантии в океане, где можно ограничиться скважиной глубиной около 5 км. Бурение было начато с огромных понтонов, но из-за качки скважина отклонилась от вертикали, и бурение пока приостановлено.

Непосредственное проникновение в мантию несомненно будет таким же важным достижением человечества, как и проникнове­ние человека в космос.

В слое С, или переходном слое мантии, вещество находится в твердом состоянии и обладает плотностью 4,68 г/см³. Давление здесь достигает 246 тыс. атм. Скорость прохождения продольных сейсмических вод возрастает от 9 до 11,4 км/сек.

Слой D—нижний слой мантии, характеризуется, по-видимому, однородным составом и состоит из вещества, богатого окислами железа, магния и в меньшей степени алюминия и титана. Плотность вещества в нем увеличивается от 5,69 до 9,4 г/см³. Продольные сейсмические волны проходят со скоростью 11,4—13,6 км/сек.

Данные о составе этих глубоких оболочек Земли, разумеется, весьма предположительны. Возможно, что изменения свойств вещества, регистрируемые изменениями скорости прохождения сейсмических волн, связаны с преобразованиями структуры вещества, и, в частности, атомных связей. Известно, что под влиянием высокого давления у минералов меняется кристаллическая решетка. По мнению В. А. Магницкого, в верхних частях мантии преобладает ионный тип химических связей вещества, тогда как в нижней ее части — атомный или ковалентный (как, например, у алмаза), при котором все атомы связаны друг с другом атомной связью.

Граница между мантией и ядром достаточно четко проходит на глубине 2900 км, где происходит преломление и частичное отражение продольных сейсмических волн.

Ядро. Все сведения о составе и строении ядра Земли строятся на догадках и предположениях. По своим физическим свойствам ядро резко отличается от окружающей его мантии. Скорость прохождения продольных волн в ядре замедляется с 13,6 до 8,1 км/сек, а поперечные сейсмические волны через ядро не проходят совсем (как через жидкую среду).

Сравнение плотности поверхностных оболочек Земли с плотностью земного шара в целом уже давно привело ученых к выводу о том, что плотность вещества в ядре должна быть много больше, чем в поверхностных частях. По расчетам плотность ядра Земли должна соответствовать плотности железа, находящегося в соответствующих условиях давления. Поэтому широко распространено представление о том, что ядро Земли состоит из железа и никеля и обладает магнитными свойствами, определяющими магнитное поле Земли. Присутствие в ядре этих тяжелых металлов связывают обычно с первичной дифференциацией вещества по удельному весу.

Представления о железо-никелевом составе ядра подтверждаются существованием железных метеоритов, которые свидетельствуют о широком распространении железа и никеля в составе других космических тел.

В каком же состоянии находится вещество в ядре Земли? Исследования советских геофизиков М.С.Молоденского и Е.Ф.Саваренского показали, что твердость этого вещества, во всяком случае во внешних частях ядра, в десятки и сотни раз меньше, чем в мантии Земли, и, следовательно, вещество внешней оболочки ядра по своему физическому состоянию приближается к жидкости.

По расчетам Джекобса, использовавшего данные о теоретически возможном состоянии расплавления вещества на разных глубинах в недрах Земли и данные о прохождении сейсмических волн, на глубине от 2900 до 5100 км вещество должно находиться в расплавленном состоянии, а на больших глубинах — опять в твердом.

На основании этих данных ядро разделяют на внешнюю и внутреннюю части. Во внешней части ядра давление определяется в 1,5 млн. атм. Плотность вещества составляет 12 г/см³. Продольные сейсмические волны проходят со скоростью от 8,1 до 10,4 км/сек, причем во внутренней части внешнего ядра скорость уменьшается до 9,5 км/сек.

Во внутреннем, или центральном, ядре, давление достигает 3,5 млн. атм, плотность вещества резко возрастает до 17,3— 17,9 г/см³. Повышение плотности вещества во внутреннем ядре может быть объяснено тем, что под влиянием больших давлений у некоторой части атомов может произойти разрушение электронных оболочек; в результате такие атомы могут сблизиться на значительно меньшие расстояния, чем это возможно при обычных условиях. Иными словами, вещество в центре Земли может быть сжато в несравненно большей степени, чем в более поверхностных частях земного шара. Этим объясняется появление большого числа свободных, не связанных с ядрами электронов, что позволяет придать любому по химическому составу веществу свойства металла. Экспериментальным путем доказано, что свойствами ядра может обладать вещество, содержащее 80% железа и 20% SiО₂

Продольные сейсмические волны проходят через внутреннее ядро со скоростью 11,2—11,3 км/сек. Расчетные данные показывают, что температура во внутреннем ядре достигает нескольких тысяч градусов.

Дата добавления: 2014-11-29