Формирование внутренней структуры Земли
После рождения Солнца вокруг него из остатков газо-пылевых частиц начали формироваться сгустки вещества – планетизимали. А в результате их объединения и родились планеты. Возможно, что уже на стадии слипания планетизималей сформировалась внутренняя железоникелевая часть и внешняя силикатная оболочка протопланеты. Но процесс дифференциации вещества, начавшись на стадии формирования планеты, продолжается и до сих пор. Тяжелые химические элементы стремятся к центру Земли, а легкие – к периферии планеты. Постепенно внутренние части планеты разогревались. Тепловая энергия выделялась как при соударении планетизималей, падении метеоритов, распаде радиоактивных элементов, так и в результате гравитационного взаимодействия с другими космическими телами. Выделившейся энергии было достаточно, чтобы разогреть недра планеты до нескольких сот градусов. Вероятно, тогда и развиваются в мантии тепловые конвенционные потоки. В результате плотностной и химической неоднородности планеты возникали участки расплавленного вещества «локальные очаги плавления» по А.П. Виноградову. В этих очагах происходила дифференциация вещества: тяжелые химические элементы погружались вниз, а легкие всплывали. В результате этих процессов произошло выплавление из ультраосновных пород, слагающих мантию подвижных магм основного базальтового состава. Одновременно выделялось большое количество газообразных веществ (пары воды, двуокись углерода, метан, водород, азот и др.), которые и сформировали первичную атмо- и гидросферу Земли.
Современные представления о строении и составе земных глубин в основном основывается на комплексных геофизических исследованиях. Самым информативным из них является сейсмический метод, основанный на измерении скоростей прохождения продольных и поперечных сейсмических волн (механических колебаний) через горные породы. Выделяют три главные сферы Земли, отделенные одна от другой поверхностями раздела, в которых резко меняются скорости волн.
Земная кора – твердая внешняя оболочка Земли. Ее мощность колеблется от 5-7 км в океанах до 30-40 км в равнинных областях континентов до 50-70 км в горных областях. Она отделена от нижележащей мантии Земли границей Мохоровичича, где происходит скачек скоростей продольных сейсмических волн до 7,9-8,2, а поперечных до 4,5-4,7 км/с. Средняя плотность земной коры – 2,7 г/см3, на границе Мохоровичича она увеличивается до 3,3 г/см3 (рис. 2.3.1.).
Рис. 2.3.1. Внутреннее строение Земли.
Строение земной коры под океанами и континентами различно. Условно в континентальной коре выделяют три слоя: осадочный, метаморфический (или гранитный) и базальтовый. В океанической коре также условно выделяют два слоя: осадочный и базальтовый. В химическом составе земной коры преобладают кислород, кремний и алюминий (84,55%), железо, кальций, натрий, фтор, магний (14,48%). В мантии увеличивается относительное содержание железа и магния, а также никеля, хрома и кобальта.
Мантия Земли располагается ниже коры до глубины 2900 км. Ее делят на верхнюю – слои «В» и «С» (до глубины 1000 км) и нижнюю – слои «D» и «D1» (до глубины 2900 км). Сейсмическими методами в слое «В» установлен слой с пониженными скоростями поперечных сейсмических волн. Его называют астеносферой и предполагается, что породы в нем находятся в «размягченном» пластичном состоянии. Твердую часть вышележащей мантии вместе с земной корой называют литосферой. Исследованиями конца 20 века было установлено, что во внешней оболочке Земли можно выделить 7 крупных и до 15 мелких литосферных плит. Они в виде чешуй покрывают Землю и находятся в постоянном относительном движении.
На глубине 2900 км наблюдается резкое падение скорости продольных сейсмических волн с 13,6 до 8,1 км/c, а поперечные волны вообще затухают. Ученые предполагают, что это свидетельствует о переходе внутриземного вещества в расплавленное состояние. Эту поверхность называют границей Гутенберга и она отделяет нижнюю мантию от внешнего ядра Земли (слой Е). В химическом составе мантии преобладают кислород, кремний, алюминий, магний и железо. Считается, что внешнее ядро состоит в основном из оксидов одновалентного железа с плотностью около 10 г/см3, находящегося в размягченном или жидком состоянии. Скорость продольных волн в нем возрастает от 8,1 до 10,5 км/с. Между внешним и внутренним ядром находится слой F (4980-5120 км). Скорость сейсмических волн в нем возрастает до 11 км/с. Состав его сульфидный (FeS). Слой G – это центральное твердое ядро Земли. Скорость продольных волн в нем 10,8-11,3 км/с, плотность достигает 13-14 г/см3, давление до 3,6 млн. атмосфер. По современным представлениям в химическом составе его преобладает железо и никель с примесью серы и, возможно, кремния и кислорода.