Внутрішні геосфери

3.2.1. Методи вивчення внутрішньої будови Землі.

Методів вивчення будови і складу твердого тіла Землі багато. Аналіз дозволяє умовно об'єднати ці методи за трьома основними напрямками, кожний з яких характеризується відповідним загальним рівнем вірогідності: геолого-знімальний;геофізичний;глибинного сейсмічного зондування.

Геолого-знімальний напрямок включає різні методи безпосереднього вивчення і випробовування гірських порід у їх природних відслоненнях на поверхні, у зразках, які відбираються у гірничих виробках та свердловинах. Інформація, яка отримана таким шляхом, є найбільш достовірною. Проте глибина більшості свердловин не перевищує 5 км. І лише окремі з них досягли глибини 10 кілометрів. Найглибша з таких свердловин на Кольському півострові (12 км 262 м).

Узагальнення результатів зйомки у вигляді геологічних карт і розрізів для будь-якого району дозволяє одержати уявлення про його будову до глибин 10 – 20 км. Додаткову інформацію може дати вивчення продуктів виверження діючих і погаслих вулканів, магматичні осередки які звичайно розташовуються на глибинах до 100 км. Таким чином, зрозуміло, що геолого-знімальні методи застосовуються тільки для вивчення верхніх горизонтів земної кори.

Геофізичний напрямок поєднує так звані непрямі методи, які базуються на вивченні фізичних параметрів Землі – електропровідності, розподілу сили ваги та ін. Ці методи дозволяють говорити про стан неоднорідностей усередині Землі практично без обмежень глибини досліджень. Однак, дані геофізичних методів припускають різні тлумачення і з глибиною їх надійність зменшується. Проте геофізичні методи – це поки єдина можливість одержувати відомості про те, що відбувається усередині Землі. Багато цікавих даних геофізики одержують шляхом вивчення швидкостей поширення пружних коливань – сейсмічних хвиль. Цей розділ геофізики називається сейсмологією. За допомогою сейсмічних методів відбувається пошук газонафтових структур і інших родовищ, виявляється багато деталей геологічної будови окремих ділянок земної кори. Принципи сейсмічних досліджень покладені в основу глибинного сейсмічного зондування (ГСЗ), яке застосовується для вивчення внутрішньої будови Землі.

Сейсмічні хвилі проходять крізь Землю при землетрусах, падінні метеоритів, ядерних і звичайних вибухах. Час приходу сейсмічних хвиль до спостерігача та їх інтенсивність фіксуються приладами – сейсмографами, головною деталлю яких є спеціальний маятник. Сейсмічні коливання в земній корі збуджують три види сейсмічних хвиль – поздовжні, поперечні і поверхневі.

Поздовжні хвилі (Р) є реакцією середовища на зміну його об’єму. Ці хвилі проходять крізь тверді, рідкі і газоподібні середовища і являють собою коливальні рухи речовини уздовж поширення хвиль, тобто в усі боки від місця миттєвого виділення енергії. У гірських породах земної кори вони поширюються зі швидкістю до 5 – 6 км/с.

Поперечні хвилі (S) є реакцією середовища на зміну його форми. Вони не можуть проходити через рідкі і газоподібні середовища, тому що ці середовища не чинять опір змінам форми. Частки речовини при цьому коливаються у площині перпендикулярній до напрямку поширення хвиль. Швидкість проходження поперечних коливань складає до 3 – 4 км/с.

Поверхневі хвилі (L) виникають тільки на межі розділу двох середовищ, що розрізняються за своїм агрегатним станом. Наприклад, вздовж поверхні Землі, що відділяє її кору від атмосфери або гідросфери.

Метод ГСЗ – провідний геофізичний метод у вивченні глибин Землі. У його основі лежить аналіз поводження сейсмічних хвиль на різних рівнях земних надр. Це дає змогу визначити густину речовини, її агрегатний стан, а також глибини розташування меж оболонок Землі і різних неоднорідностей у них. Сутність методу полягає в погоджених у часі діях між пунктом вибуху і сейсмостанціями, що реєструють різні параметри сейсмічних хвиль.

Найбільш розробленою моделлю будови Землі визнана модель Гутенберга – Буллена. Поділи першого порядку в ній визначаються різкими стрибками у швидкостях поширення сейсмічних хвиль. До них відносяться межі між головними оболонками Землі – корою і мантією (поділ Мохоровичича), мантією і ядром (поділ Віхерта – Гутенберга). Поділи II порядку відзначають внутрішні неоднорідності в межах кори, мантії та ядра. Вони відповідають рівню, на якому змінюється похідна від швидкостей сейсмічних хвиль, тобто від інтенсивності їхнього прискорення чи уповільнення.

3.2.2. Внутрішня будова Землі

У таблиці наведені дані, що характеризують внутрішні геосфери згідно до моделі Гутенберга-Буллена – інтервали глибин, які вони займають, їх речовинний склад, агрегатний стан, а також деякі фізичні параметри – щільність, тиск, температуру.

Ядро. Це внутрішня, найбільш щільна оболонка Землі. Для зовнішнього ядра характерне різке зниження швидкості поширення поздовжніх хвиль (з 13,6 до 8,1 км/с), загасання поперечних хвиль, поява високої електропровідності. Усе це свідчить про зміну агрегатного стану речовини. Тому припускають, що зовнішнє ядро знаходиться у стані, який наближається до рідкого.

У межах внутрішнього ядра швидкість поздовжніх хвиль знову зростає, що свідчить про твердий стан його речовини. Деякі вчені припускають, що за умов високого тиску відбувається деструкція речовини, що внутрішнє ядро знаходиться у металізованому або плазменому стані. Хімічний склад зовнішнього і внутрішнього ядра за найбільш поширеною версією приблизно однаковий – залізонікелевий, близький до складу залізних метеоритів. За переважними компонентами (Ni – Fe) цю оболонку називають застарілим визначенням – «ніфе».

Мантія. Ця геосфера також складається з двох оболонок – нижньої і верхньої мантії. Разом вони утворюють найбільшу геосферу Землі, яка обмежена поверхнею Мохоровичича (поділ Мохо, чи М) зверху і границею Віхерта-Гутенберга знизу. Маса мантії складає 2/3 маси Землі. Про склад речовини мантії існують лише гіпотетичні припущення.

Верхня мантія характеризується складною будовою – наявністю в ній так званої астеносфери (геосфера «без міцності») – інтервалу мантії зі зниженими швидкостями хвиль, що очевидно зумовлене розм’якшеним, пластичним станом речовини. Під океанами астеносфера займає інтервал глибин приблизно від 50 до 400, а під континентами від 80 до 270 км.

Астеносфера, на думку вчених, зумовлює рухливість усієї твердої оболонки, що залягає на ній і цим створює умови для виникнення ендогенних геологічних процесів. Це пояснюється тим, що окремі частини (блоки) зазначеної оболонки, яка включає земну кору і частину верхньої мантії, у напіврідкій астеносфері можуть «тонути», «спливати» чи зміщуватися вбік – у залежності від змін маси блоків, умов обертання Землі (ротаційних умов) чи напрямку конвекційних потоків речовини в самій астеносфері. Унаслідок таких переміщень блоків кори (тектонічних рухів) на Землі утворюються западини (моря), або навпаки, виникають гірські споруди, а також формуються магматичні осередки і здійснюються метаморфічні перетворення гірських порід. Описувана рухлива тверда оболонка, що залягає на астеносфері, має назву «літосфера» (грецьк. літос – камінь).

Нижня мантія за сейсмічними характеристиками відносно однорідна. У зоні D швидкість хвиль залишається практично постійною аж до поділу Віхерта-Гутенберга.

Непрямі дані про хімічний склад мантії отримані за даними аналізу магматичних порід, що за припущенням вчених утворилися з мантійної речовини. Основну частину (97,7%) цих порід складають 5 оксидів: SiО₂ (45,2%); MgО (37,5%); FeО (8,4%); Al₂O₃ (3,5%); CaО (3,1%). Вміст оксидів Na, K, Ti, Mn не перевищує 0,1 – 0,4%. У складі переважають Si і Mg, тому цю геосферу скорочено називають «сіма».

Верхня мантія складена залізомагнезіальними силікатами – мінералами олівіном, піроксенами, гранатами, що відповідає складу глибинних магматичних порід – перидотитів. У перехідній зоні і нижній мантії ці мінерали в умовах високого тиску існувати не можуть. Вони розкладаються у відповідні оксиди, що мають більш щільне упакування атомів у своїй структурі.

Земна кора. Земна кора складена магматичними, осадовими і метаморфічними породами. Вона має потужність від 5 до 70 – 80 км і характеризується дуже складною будовою. Складність зумовлена тим, що кора і гірські породи, які складають її, сформувалися відповідними ендогенними та екзогенними процесами не відразу, а поступово – у різні періоди існування планети. Унаслідок цього різні ділянки кори відрізняються не тільки за своєю потужністю, складом, але і за віком порід. Пояснюється це тим, що протягом попередніх мільярдів років безупинно змінювалися фізичні умови на Землі, а отже, характер і спрямованість геологічних процесів. Однак, у складній, мозаїчній структурі земної кори встановлені деякі загальні закономірності її будови у вертикальному і горизонтальному напрямках.

Особливості будови земної кори у вертикальному напрямку вивчаються сейсмічними дослідженнями. У земній корі виділені три шари, які створені різними за складом та походженням гірськими породами – осадовий шар, гранітний і базальтовий.

Осадовий шар чи стратисфера є зовнішнім і тому відносно наймолодшим утворенням. Він складений осадовими та осадово-вулканогенними породами – глинистими, піщаними, карбонатними, різними солями, вугіллям, продуктами вулканічної діяльності. Потужність шару змінюється у широкому діапазоні – від повної відсутності на окремих ділянках у гірських місцевостях до 20 – 25 км в глибоких внутрішньоконтинентальних прогинах земної кори (наприклад, Прикаспійська, Дніпрово-Донецька западини). Породи осадового шару відрізняються зниженими параметрами, що визначають їх міцнісні властивості, щільність та швидкість поширення сейсмічних хвиль. Щільність порід осадового шару змінюється в межах 2,3 – 2,8 г/см³.

Гранітний шар (граніто-метаморфічний) має таку назву тому, що породи, які його утворюють, за своїми властивостями подібні гранітам. Цей шар складається метаморфічними і магматичними породами – гнейсами, амфіболітами, сланцями, мармурами, кварцитами, гранітами, діоритами, сієнітами. Щільність порід гранітного шару змінюється в межах 2,6 – 2,8 г/см³.

Різкою сейсмічною межею гранітний шар відділений від осадового (стрибок швидкостей хвиль 0,7 км/с). Потужність гранітного шару від 6 до 40 км. Можлива і повна відсутність його в розрізі. Нижня межа гранітного шару – сейсмічний поділ з базальтовим шаром, що його підстилає. Цей поділ називається границею Конрада.

Базальтовий шар складається з більш важких магматичних кристалічних порід, які за фізичними властивостями близькі до базальтів. Інтервал зміни щільностей цих порід 2,8 – 3,2 г/см³. Потужність базальтового шару змінюється від декількох до 30 – 40 км. Нижньою межею його є сейсмічний поділ з верхньою мантією - поверхня Мохоровичича.

Таблиця   Характеристика внутрішніх оболонок Землі за моделлю Гутенберга-Буллена

В астеносфері – напіврідке

Особливості будови Землі в горизонтальному напрямку, тобто площинна неоднорідність виявляється, перш за все, у різній її будові на континентах і в межах океанічних западин. Відповідно до цього виділяються два основних типи кори – континентальний і океанічний, а також проміжні підтипи – субконтинентальний і субокеанічний.

Кора континентального типу в межах рівнин за потужністю змінюється в середньому від 30 до 40 км, збільшуючись до 70 – 80 км у гірських областях. Складається кора з трьох шарів – осадового, гранітного та базальтового. В окремих ділянках материків гранітний шар з тих чи інших причин відсутній.

Океанічна кора відрізняється від материкової значно меншою потужністю (до 6-7км) і відсутністю гранітного шару в її складі. Осадовий шар залягає безпосередньо на базальтовому. Потужність його поступово збільшується від нульових значень у центральних частинах серединних океанічних хребтів до 1 – 2 км поблизу континентів. Ще однією особливістю океанічної кори є те, що її базальтовий шар за складом істотно відрізняється від базальтового шару в межах континентів і складається переважно з габро і серпентинітів.

Субокеанічна кора розвинена у внутрішніх і крайових морях. Її будова відрізняється від будови океанічної кори більшою потужністю пухких осадків (до 3 – 6 км і більш).

Субконтинентальна кора розташована між континентом і острівними дугами. Від материкової кори вона відрізняється меншою потужністю і більш поступовим переходом від гранітного шару до базальтового.

Горизонтальна неоднорідність кори в межах континентів визначається також наявністю таких структурних елементів як платформи і геосинкліналі. Мінімальна потужність кори спостерігається на платформах, а максимальна – в геосинклінальних чи гірсько-складчастих областях. Збільшення потужності земної кори в гірських районах призводить до утворення так званих «коренів» у великих гірських системах.

Платформи (фр. плат - площинний, форм - форма) – це великі за площею тектонічно стійкі області. Вони характеризуються середніми величинами потужності земної кори, горизонтальним чи майже горизонтальним заляганням осадових порід, рівнинним рельєфом. Платформи мають двох'ярусну будову і складаються з більш давнього кристалічного фундаменту і осадового чохла, що його перекриває. Уся територія України, за винятком гірських областей Карпат і Криму розташована в південно-західній частині великої Східноєвропейської (Руської) платформи.

Частини платформи з двох'ярусною будовою називають плитами. Виходи фундаменту платформи на денну поверхню називаються щитами. Такі, наприклад, Балтійський і Український щити на Руській платформі.

Геосинкліналі (грецьк. гео - земля; син - разом; клін - нахил) – витягнуті, тектонічно рухливі зони в земній корі. Вони характеризуються великою (до 70 – 80 км) потужністю кори, порушеним складчасто-розривним заляганням гірських порід, гірським рельєфом поверхні. У геоморфологічному відношенні геосинкліналі представлені гірсько-складчастими спорудами. Такі, наприклад, Урал, Кавказ, Карпати, Памір і т.д., які являють собою давні, різного віку утворення. Існують і сучасні геосинкліналі, наприклад, Середземноморська (між Африкою та Європою), Тихоокеанська, яка співпадає з морями, що розташовані уздовж усього західного узбережжя Тихого океану.

Дата добавления: 2014-01-07