Тема 1. Внутреннее строение и состав Земли

Понятие о геосферах

Для непосредственного изучения доступны лишь самые верхние слои земной коры. Об их строении можно судить по данным естественных обнажений пород в горах, где земная кора вскрывается на глубину нескольких километров, и по материалам глубоких скважин. Так как радиус Земли составляет около 6371 км, то возможности прямого изучения глубинных недр Земли совсем ничтожны. Поэтому основным источником информации о внутреннем строении Земли являются сейсмологические методы, основанные на изучении упругих волн, вызванных землетрясением и взрывами. Установлено, что скорость распространения сейсмических волн внутри Земли на определенных глубинах меняется скачкообразно, свидетельствуя о наличии четких границ раздела. К настоящему времени в Земле выделяют около 10 границ раздела, причем основными из них являются: 1) поверхность Мохоровичича (или сокращено Мохо), которая залегает на глубинах 30-70 км на континентах и 5-7 км под дном океана 2) поверхность Вихерта-Гутенберга, которая залегает га глубине 2900 км. Эти основные границы делят нашу планету на три концентрические оболочки, или геосферы: 1) Земная кора-внешняя оболочка Земли, расположенная над поверхностью Мохо, 2) мантия Земли-промежуточная оболочка, ограниченная поверхностью Мохо вверху и поверхностью Вихерда-Гутенберга внизу, 3) ядро Земли-центральное тело нашей планеты, расположенное глубже поверхности Вихерта-Гутенберга.

Земная кора по массе составляет небольшую долю от общей массы Земли. По мощности и составу выделяются три типа земной коры: 1) материковая кора, 2) океаническая кора, 3) кора переходных областей. Материковая кора характеризуется максимальной мощностью, достигающей 70 км. Она состоит из трех слоев. Верхний слой, представленный осадочными породами небольшой плотности (в среднем 2,3 г/см³), имеет мощность, не превышающую 10-15 км. Ниже залегает гранитный слой мощностью 10-20 км, представленный магматическими и метаморфическими породами преимущественно кислого состава. Значения плотности здесь изменяются в пределах 2,5-2,67 г/см³. В подошве залегает базальтовый слой мощностью до 40 км. Плотность слагающих его пород 2,8-3,3 г/см³. Он сложен преимущественно магматическими породами основного состава. Границей гранитного и базальтового слоев является поверхность Конрада, которая прослеживается под материками на глубине 10-30 км.

Океаническая кора характеризуется минимальной мощностью 5-7 км. Она состоит из двух слоев: верхний-осадочный и нижний-базальтовый. Мощность осадочного слоя здесь не превышает нескольких сотен метров, базальтового слоя 4-10 км.

Кора переходных областей обычно характерна для периферии крупных континентов, где развиты окраинные моря, имеются архипелаги островов. По строению, мощности и плотности пород кора переходных областей занимает промежуточное место между материковой и океанической.

На основании многочисленных химических анализов минералов и горных пород, слагающих верхнюю изученную часть земной коры, было вычислено среднее процентное содержание химических элементов в земной коре. Такое содержание называется кларковым, по имени ученого Ф.Кларка, впервые составившего схему распространения химических элементов в земной коре. Наибольшие кларки в земной коре имеют кислород 49%, кремний 26%, алюминий 7%. На долю этих трех элементов приходится 82%. Следующие пять элементов-железо, кальций, натрий, калий и магний-составляют 15% массы земной коры. Таким образом, в строении коры преобладают легкие элементы, что обуславливает относительно невысокую ее плотность-в среднем 2,7-3,2 г/см³.

Мантия является самым крупным элементом Земли-она занимает 83% объема планеты и около 67% ее массы. Она разделяется на три слоя:

1) верхняя мантия или слой Гутенберга, простирается до глубины 410 км. Внутри этого слоя в интервале глубин 70-150 км отмечается снижение скорости распространения сейсмических волн, что указывает на пребывание вещества в состоянии, близком к расплавлению. Эта зона внутри верхней мантии получила название астеносферы. В ней располагаются первичные очаги вулканов и проявляются процессы, вызывающие тектонические движения в земной коре. Земную кору вместе с частью верхней мантии, расположенной над астеносферой, принято объединять под общим названием литосферы.

2) средняя мантия, или слой Голицына расположена до глубины 950 км. В ней скорости распространения сейсмических волн резко возрастают.

3) нижняя мантия расположена до глубины 2900 км. Здесь скорости сейсмических волн возрастают незначительно. В целом плотность вещества в мантии возрастает от 3,3 у границы Мохо до 5,2 г/см³ в нижней мантии. В мантии возрастают кларки магния, железа и снижаются кларки кремния, алюминия. Вещество в целом силикатное, преобладают кремний и магний.

Ядро Земли занимает около 17% объема и 33 % массы. Оно разделяется на два слоя: внешнее ядро на глубине с 2900 до 5000 км и внутреннее ядро с 5000 км до центра Земли. Во внешнем ядре скорости прохождения сейсмических волн снова возрастают, что указывает на твердое состояние вещества. Плотность ядра возрастает в направлении к его центру с 9,4 до 16 г/см³, составляя в среднем 11-12 г/см³. В ядре резко возрастают кларки тяжелых элементов, особенно железа и никеля, полагают даже, что ядро в целом железо-никелевое.

Движение земной коры

Земная кора только кажется неподвижной, абсолютно устойчивой. На самом же деле она совершает непрерывные и разнообразные движения. Некоторые из них происходят очень медленно и не воспринимаются органами чувств человека, другие, например землетрясения, носят обвальный, разрушительный характер. Какие же титанические силы приводят в движение земную кору?

Внутренние силы Земли, источник их происхождения. Известно, что на границе мантии и литосферы температура превышает 1500 °C. При этой температуре материя должна либо расплавиться, либо превратиться в газ. При переходе твердых тел в жидкое или газообразное состояние объем их должен увеличиваться. Однако этого не происходит, так как перегретые породы находятся под давлением вышележащих слоев литосферы. Возникает эффект «парового котла», когда стремящаяся расшириться материя давит на литосферу, приводя ее в движение вместе с земной корой. При этом чем выше температура, тем сильнее давление и тем активнее движется литосфера. Особенно сильные очаги давления возникают в тех местах верхней мантии, где концентрируются радиоактивные элементы, распад которых разогревает слагающие породы до еще более высоких температур. Движения земной коры под действием внутренних сил Земли называют тектоническими. Эти движения подразделяют на колебательные, складкообразовательные и разрывные.

Колебательные движения. Эти движения происходят очень медленно, незаметно для человека, поэтому их еще называют вековыми или эпейрогеническими. В одних местах земная кора поднимается, в других – опускается. При этом нередко поднятие сменяется опусканием, и наоборот. Проследить за этими движениями можно только по тем «следам», которые остаются после них на земной поверхности. Например, на побережье Средиземного моря, близ Неаполя, находятся развалины храма Сераписа, колонны которого источены морскими моллюсками на высоте до 5,5 м над уровнем современного моря. Это служит безусловным доказательством того, что храм, построенный в IV в., побывал на дне моря, а затем произошло его поднятие. Сейчас этот участок суши вновь опускается. Нередко на побережьях морей выше их современного уровня находятся ступени – морские террасы, созданные когда-то морским прибоем. На площадках этих ступеней можно найти остатки морских организмов. Это свидетельствует о том, что площадки террас когда-то были дном моря, а затем берег поднялся и море отступило.

Опускание земной коры ниже 0 м над уровнем моря сопровождается наступлением моря – трансгрессией, а поднятие – его отступлением – регрессией. В настоящее время в Европе поднятия происходят в Исландии, Гренландии, на Скандинавском полуострове. Наблюдениями установлено, что область Ботнического залива поднимается со скоростью 2 см в год, т. е. на 2 м в столетие. Одновременно с этим происходит опускание территории Голландии, Южной Англии, Северной Италии, Причерноморской низменности, побережья Карского моря. Признаком опускания морских побережий служит образование морских заливов в устьевых участках рек – эстуариев (губ) и лиманов.

При поднятии земной коры и отступлении моря морское дно, сложенное осадочными породами, оказывается сушей. Так образуются обширные морские (первичные) равнины: например, Западно-Сибирская, Туранская, Северо-Сибирская, Амазонская (рис. 20).

Рис. 20. Строение первичных, или морских, пластовых равнин

Складкообразовательные движения. В тех случаях, когда пласты горных пород достаточно пластичны, под действием внутренних сил происходит смятие их в складки. Когда давление направлено по вертикали, породы смещаются, а если в горизонтальной плоскости – сжимаются в складки. Форма складок бывает самой разнообразной. Когда изгиб складки направлен вниз, ее называют синклиналью, вверх – антиклиналью (рис. 21). Образуются складки на больших глубинах, т. е. при высоких температурах и большом давлении, а затем под действием внутренних сил они могут быть подняты. Так возникают складчатые горы Кавказские, Альпы, Гималаи, Анды и др. (рис. 22). В таких горах складки легко наблюдать там, где они обнажены и выходят на поверхность.

 

Рис. 21. Синклинальная (1) и антиклинальная (2) складки

Рис. 22. Складчатые горы

Разрывные движения. Если горные породы недостаточно прочны, чтобы выдержать действие внутренних сил, в земной коре образуются трещины – разломы и происходит вертикальное смещение горных пород. Опустившиеся участки называют грабенами, а поднявшиеся – горстами (рис. 23). Чередование горстов и грабенов создает глыбовые (возрожденные) горы. Примерами таких гор служат: Алтай, Саянские, Верхоянский хребет, Аппалачи в Северной Америке и многие другие. Возрожденные горы отличаются от складчатых как по внутреннему строению, так и по внешнему виду – морфологии. Склоны этих гор часто отвесные, долины, как и водоразделы, широкие, плоские. Пласты горных пород всегда смещены относительно друг друга.

 

Рис. 23. Возрожденные складчато-глыбовые горы

Опустившиеся участки в этих горах, грабены, иногда заполняются водой, и тогда образуются глубокие озера: например, Байкал и Телецкое в России, Танганьика и Ньяса в Африке.