Внутреннее строение Земли

Слова и словосочетания

Наша планета по составу, физическому состоянию вещества и процессам, протекающим в ней, неоднородна. Она характеризуется зональным строением, в котором различают несколько оболочек или геосфер: атмосфера, гидросфера, биосфера, земная кора, мантия и ядро.

Внешние три оболочки подвижны и не имеют постоянных границ. Вещество оболочек твердого тела Земли также неоднородно и различается по составу, состоянию, физическим свойствам, о чем свидетельствуют изменения температуры, давления, плотности и т.д.

Внутреннее строение твердого тела Земли изучают с помощью геофизических методов, из которых наиболее важное значение имеют сейсмический и гравиметрический методы. Сейсмический метод основан на изучении путей и скоростей распространения упругих волн, возникающих при землетрясениях или искусственных взрывах, а гравиметрическим методом изучают распределение силы тяжести на поверхности Земли. На основании сейсмических данных выделяются три главные оболочки Земли, в которых скорости сейсмических волн резко изменяются (рис. 9).

Земная кора (слой А) – твердая верхняя оболочка Земли. Ее мощность изменяется от 5 – 10 км под водами океанов до 50 – 75 км на континентах в горных районах (максимум под Андами и Гималаями). В среднем она составляет 33 км.

Мантия Земли распространяется ниже земной коры до глубины 2900 км от поверхности. Она подразделяется на две части: верхнюю мантию (слои В и С) до глубины 900 – 1000 км и нижнюю мантию от 900 до 2900 км.

Ядро Земли. В нем выделяют внешнее ядро (слой Е) до глубины 4980 км, переходный слой (F) в интервале глубин 4980 – 5120 км и внутреннее ядро (слой G) ниже 5120 км.

Скорость распространения продольных сейсмических волн (Vp) в земной коре в среднем 6,5 – 7,0 до 7,4 км/с, а поперечных волн (Vs) – около 3,7 – 4,1 км/с. земная кора отделяется от мантии четко выраженной сейсмической границей, ниже которой скорости продольных и поперечных волн возрастают до 8,3 км/с и 4,7 км/с соответственно. Эта сейсмическая граница получила название – поверхность Мохоровичича (сокращенно Мохо, или М) в честь югославского сейсмолога А. Мохоровичича.

В слое В верхней мантии выделяется слой пород с пониженной плотностью, называемый астеносферой. В астеносферном слое наблюдается понижение скорости сейсмических волн, особенно поперечных, и повышение электропроводности. Это связано с частичным плавлением вещества мантии (до 10%). Астеносферный слой располагается на различных глубинах: под континентами от 80 – 120 до 200 – 250 км, под океанами от 50 – 70 до 300 – 400 км. Твердый надастеносферный слой мантии вместе с земной корой называется литосферой. Ниже астеносферы (в слое С) скорость продольных сейсмических волн резко возрастает и на глубине 900 – 1000 км достигает 11,4 км/с. в нижней мантии Vp продолжает возрастать до 13,6 км/с, а скорость поперечных волн в основании нижней мантии на глубине 2700 – 2900 км составляет 7,2 – 7,3 км/с. на глубине 2900 км выделяется следующая сейсмическая граница раздела первого порядка, отделяющая мантию от ядра. Глубже этой границы скорость продольных волн скачкообразно падает с 13,6 км/с в основании мантии до 8,1 км/с во внешнем ядре, а поперечные волны не проникают. Далее во внешнем ядре (слой Е) она постепенно возрастает до 10,5 км/с и уменьшается до 9,5 км/с в слое F, а затем во внутреннем ядре (слой G) вновь увеличивается до 11,3 км/с (рис. 10).

Резкое снижение скорости продольных сейсмических волн и отсутствие поперечных во внешнем ядре, по-видимому, объясняется состоянием его вещества, обладающим свойствами жидкости.

Агрегатное состояние вещества и химический состав геосфер

Слова и словосочетания

Изучение химического состава Земли и ее внутреннего строения представляет весьма трудную задачу. Если о структуре недр планеты можно судить по распространению сейсмических волн, то определение химического состава Земли требует прямого изучения образцов вещества различных геосфер. В настоящее время прямому исследованию доступны лишь породы земной коры до глубины 15–20 км, а также излившиеся на поверхность продукты вулканических извержений. изучение состава внутренних геосфер невозможно без учета термодинамических условий (высоких температур и давления) и их влияния на свойства вещества. С учетом этих условий в геологии господствуют две точки зрения в вопросе о составе внутренних оболочек Земли. Первая была высказана точка зрения о гетерогенном составе внутренних геосфер. Вещество верхней мантии представлено ультраосновными породами, а ядро имеет железоникелевый состав. позже была высказана идея об однородном строении Земли. Сторонники этой точки зрения полагают, что у всех геосфер планеты имеется силикатный состав. Резкая смена физических свойств на границах геосфер связывается с фазовыми переходами вещества, которое при высоких давлениях и температурах может приобретать свойства жидкостей и металлов.

Земная кора. Вещество земной коры, которая сложена различными горными породами, находится в твердом состоянии, так как температура здесь не достигает точки плавления (рис. 7). Однако на глубинах 15–20 км внутри земной коры сейсмологи отмечают участки (напоминающие астеносферный слой), с которыми, вероятно, и связано формирование магматических очагов гранитной магмы.

Мантия Земли. Эта геосфера является самым крупным элементом планеты. Она занимает 83% ее объема и составляет около 66% ее массы. По геофизическим данным в ее составе выделяется несколько границ раздела, залегающих на глубинах 410, 950 и 2700 км. Вещество мантии находится в твердом кристаллическом состоянии, через него проходят как продольные, так и поперечные волны. И только в слое В выделяются слои с пониженными скоростями сейсмических волн, (астеносфера), в которой вещество может быть в аморфном стекловидном или даже в расплавленном (до 10%) состоянии.

Геофизические данные последних лет указывают на неоднородность и расслоенность астеносферы и наличие очагов магмы, которые возникают на различных уровнях астеносферного слоя.

Состав мантии сложный и неоднородный в различных слоях. Прямые, но неполные данные имеются лишь о составе слоя В, он распространен до глубин 400 км. К этим данным относятся: 1) отдельные выходы на поверхность континентов ультраосновных магматических пород, главным образом перидотитов; 2) наличие включений ультраосновных пород в базальтовых лавах вулканов; 3) состав пород, собранных путем драгирования в океанских зонах разломов; 4) состав пород, слагающих алмазоносные кимберлитовые трубки на континентах; 5) состав каменных метеоритов (рис. 11). Важное значение имеют экспериментальные исследования минералов и горных пород при высоких температурах и давлениях. Основываясь на всех этих данных, большинство исследователей считают, что верхняя мантия состоит из ультраосновных магматических пород – перидотитов. Их главными минералами являются оливин, пироксены и гранаты. Гранатовые перидотиты – главные породы слоя В верхней мантии. Их свойства соответствуют основным геофизическим показателям: плотности, скорости распространения сейсмических волн, которые отмечаются ниже границы Мохоровичича. Особенно важное значение имеют данные по кимберлитовым алмазоносным трубкам, где, помимо гранатового перидотита, имеются включения эклогитов. По составу эклогит близок к основной глубинной магматической породе габбро, но характеризуется высокой плотностью (3,35 – 4,2 г/см³) и скоростью распространения сейсмических волн. Такое уплотнение основных пород возможно только при больших давлениях, которые наблюдаются на глубине 40 км и более. По современным данным, алмазоносные эклогиты и алмазосодержащие гранатовые перидотиты попали в кимберлитовые трубки с глубин не менее 150 и даже 200 км.

В слое С верхней мантии (слой Голицына) – области наиболее быстрого нарастания скорости сейсмических волн и давления – происходят фазовые превращения вещества. Это доказывается и экспериментальными данными. Так, обычный кварц с плотностью 2,53 г/см³ при больших давлениях переходит в более плотную модификацию – стишовит с плотностью 4,25 г/см³. Уплотнение и изменение структуры может произойти и с железисто-магнезиальными силикатами. Предполагается, что с увеличением глубины в слое С и в нижней мантии возможен распад всех железисто-магнезиальных силикатов на простые окислы, характеризующиеся плотнейшей упаковкой. В качестве примера можно привести распад магнезиального минерала форстерита:

Таким образом, при распаде силикатов на окислы могут образовываться МgО (периклаз), Аl₂O₃ (корунд), Fе₂О₃ (гематит), ТiO₂ (рутил), SiO₂ (стишовит) и др.

Несколько иное объяснение дает В.А.Магницкий (1965). Он предполагает, что в слое С и нижней мантии происходит переход от преобладающего ионного типа связей к ковалентным связям. Для примера берется тот же форстерит Мg₂[SiО₄]. При переходе в ковалентную связь ионные радиусы Мg²⁺(0,074 нм) увеличивается до 0,14 нм, а О^2–(0,136 нм) уменьшается до 0,055 нм. В этом случае расстояние Мg – О изменяется от 0,21 до 0,195 нм, что приводит к увеличению плотности до 18%.

Ядро. Центральная геосфера Земли, занимает около 17% ее объема и составляет 34% ее массы. Ядро состоит из большого, жидкого внешнего ядра, через которое не проходят поперечные сейсмические волны, и малого твердого внутреннего (рис.12), что четко выделяется по сейсмическим данным. Ядро Земли имеет большую плотность и высокую металлическую электропроводность. Исходя из этого уже давно была высказана мысль, что ядро состоит из железа с примесью никеля. При этом проводилась аналогия с железными метеоритами. Таким образом, резкая граница между мантией и ядром объясняется изменением состава вещества. Однако экспериментальные исследования показали, что при давлении, существующем у границ ядра, плотность железа очень большая. Она намного превышает расчетные величины средней плотности Земли. По современным данным плотность земного ядра на 10% ниже плотности железоникелевого сплава при температурах и давлениях, которые имеются в ядре. На основании этого высказывается предположение, что кроме никелистого железа в ядре должны быть какие-то легкие элементы, к которым могут быть отнесены кремний или сера. В настоящее время многие исследователи склоняются к тому, что ядро состоит в основном из железа с примесью никеля и серы. Не исключается возможность присутствия и других элементов (или кислорода, или кремния). Вместе с тем существуют и другие точки зрения о составе и состоянии вещества внешнего ядра Земли. Так, предполагается, что внешнее ядро состоит (наиболее вероятно) из окисла железа (FеО), которое испытывает не только плавление, но и фазовый переход в более плотную металлическую фазу. Такие фазовые переходы при давлениях 1×1011 Па были установлены для окислов экспериментальным путем (Л.Ф. Верещагин и др.). При этом наблюдалась внезапная перестройка атомов в новую структуру высокой плотности и большой энергии связи между атомами.

Химический состав Земли. При определении химического состава нашей планеты большое значение имеют исследования химического состава пород луны и метеоритов, падающих на Землю. Эти данные можно использовать только при предположении о близости химического состава исходного вещества планет группы.

Метеориты подразделяются на три группы: железные, железо-каменные и каменные. Убедительным свидетельством близости химического состава планет являются данные изучений образцов лунного грунта, доставленных космическими аппаратами «Луна–16», «Апполон–11» и «Апполон–12». Согласно этим данным, горные породы лунных морей представлены базальтами, близкими по составу к базальтам земной коры, лунные горы сложены анортозитами, аналогичными земным. Найдены на луне и ультраосновные породы, аналогичные пироксенитам и перидотитам.

Таблица 1

С учетом состава и свойств метеоритов и образцов с луны, а также геофизических данных о внутреннем строении нашей планеты рассчитан средний химический состав Земли (табл.1). Приведенные в табл.1 элементы распространены в основном в виде химических соединений, в самородном состоянии встречаются (из перечисленных) только железо и сера.