Внутренние оболочки Земли

Представления о внутренней неоднородности строения Земли и о её концентрически-зональном строении основаны на результатах комплексных геофизических исследований. Прямые свидетельства глубинного строения земных недр относятся к небольшим глубинам. Они получены в процессе изучения естественных разрезов (обнажений) горных пород, разрезов карьеров, шахт и буровых скважин. Самая глубокая в мире скважина на Кольском полуострове углубилась в недра на 12 километров. Это составляет всего лишь 0,2% радиуса Земли (радиус Земли около 6 тыс. км.) (рис. 3.5.). Продукты вулканических извержений дают возможность судить о температурах и составе вещества на глубинах 50-100 км.

Рис. 3.5. Внутренние оболочки земли

Сейсмические волны. Главным методом исследования недр является сейсмический метод. Он основан на измерении скорости прохождения механических колебаний разных типов через вещество Земли. Этот процесс сопровождается выделением большого количества энергии и возникновением механических колебаний, которые распространяются в виде сейсмических волн во все стороны от места возникновения. Скорость распространения сейсмических волн весьма велика и в плотных телах, например в камне (в горных породах) достигает нескольких километров в секунду. Различают две группы сейсмических волн – объемные и поверхностные (рис. 3.6. и 3.7.). Слагающие Землю горные породы упруги и поэтому могут деформироваться и испытывать колебания при резком приложении давления (нагрузок). Внутри объема горных пород распространяются объемные волны. Они делятся на два типа: продольные (Р) и поперечные (S). Продольные волны в теле Земли (как и в любых других физических телах) возникают как реакция на изменение объёма. Подобно звуковым волнам в воздухе, они попеременно сжимают и растягивают вещество горных пород в направлении своего движения. Волны другого типа – поперечные возникают как реакция на изменение формы тела. Они колеблют среду, через которую они проходят, поперек пути своего движения.

На границе двух сред с разными физическими свойствами сейсмические волны испытывают преломление или отражение(P,S, PcP, PkP и т.д.). Геофизические исследования были дополнены термодинамическими расчетами и результатами физического моделирования и данными изучения метеоритов.

Полученные данные свидетельствуют о наличии в недрах Земли многочисленных субгоризонтальных границ раздела. На этих границах происходит изменение скоростей и направлений распространения физических волн (сейсмических, электромагнитных и др.) при их распространении вглубь планеты.

Рис. 3.6. Распространение сейсмических волн (О – очаг землетрясения).

Эти границы отделяют друг от друга отдельные оболочки – «геосферы», которые отличается друг от друга по химическому составу и по агрегатному состоянию вещества в них. Эти границы, отнюдь, не представляют собой привычные геометрически правильные бесконечно тонкие плоскости. Любая из этих границ – это некий объём недр, сравнительно небольшой по сравнению с объёмом разделяемых геосфер. В пределах каждого такого объёма происходит быстрая, но постепенная смена химического состава и агрегатного состояния вещества.

Недра Земли. По существующим представлениям земной шар разделен на ряд концентрических оболочек (геосфер), как бы вложенных друг в друга (рис.3.7., табл. 3.5.). «Внешние» оболочки и «внутренние» оболочки (иногда последние называют просто «недрами») отделены друг от друга поверхностью земли. Внутренние оболочки представлены, соответственно ядром, мантией и земной корой. Каждая из этих геосфер, в свою очередь имеет сложное строение. В модели Гутенберга—Буллена использована индексация гео­сфер, популярная и в настоящее время. Авторы выделяют: земную кору (слой А) — граниты, метаморфические породы, габбро; верх­нюю мантию (слой В); переходную зону (слой С); нижнюю мантию (слой D), состоящую из кислорода, кремнезема, магния и железа. На глубине 2900 км проводят границу между мантией и ядром. Ниже находится внешнее ядро (слой Е), а с глубины 5120 м — внутреннее ядро (слой G), сложенное железом:

- земная кора – тонкая внешняя каменная оболочка Земли. Она распространена от поверхности Земли вглубь до 35-75 км, слой A: Ср. толщина 6-7 км – под океанами; 35-49 км – под равнинными платформенными территориями континентов; 50-75 км – под молодыми горными сооружениями. Это самая верхняя из внутренних оболочек Земли.

- мантия - промежуточную оболочку (35-75 км. до 2900 км) (слои В, С, D) (греч. “мантион” - покрывало): слои B (75-400 км) и C (400-1000 км) соответствуют верхней мантии; переходный слой D (1000-2900 км) - нижней мантии.

-ядро – (2900 км. – 6371 км.) слои E, F, G где: Е (2900-4980 км) – внешнее ядро; F (4980-5120 км) – переходная оболочка; G (5120-6371 км) – внутреннее ядро.

Ядро Земли. Ядро составляет 16,2% ее объёма и 1/3 массы. Оно, видимо, сжато у полюсов на 10 км. На границе мантии и ядра (2900 км) происходит скачкообразное понижение скорости продольных волн с 13,6 до 8,1 км/с. Поперечные волны ниже этой границы раздела не проникают. Ядро не пропускает их сквозь себя. Это дало повод сделать вывод, что во внешней части ядра вещество находится в жидком (расплавленном) состоянии. Ниже границы мантии и ядра скорость продольных волн вновь нарастает - до 10,4 км/с. На границе внешнего и внутреннего ядра (5120 км) скорость продольных волн достигает 11,1 км/с. А потом до центра Земли почти не изменяется. На этом основании предполагается, что с глубины 5080 км вещество ядра вновь приобретает свойства очень плотного тела, и выделяется твердое внутреннее " ядрышко " с радиусом 1290 км. По мнению одних ученых, земное ядро состоит из никелистого железа. Другие утверждают, что железо, кроме никеля содержит примесь легких элементов - кремния, кислорода, возможно, серы и др. В любом случае железо как хороший проводник электричества может служить источником динамо-эфекта и образования магнитного поля Земли.

Действительно, с точки зрения физики, Земля в некотором приближении является магнитным диполем, т.е. своеобразным магнитом с двумя полюсами: южным и северным.

Японские ученые доказывают, что ядро Земли постепенно увеличивается за счет дифференциации вещества мантии[12]. составляет 82,3% объема Земли. О ее строении и вещественном составе могут быть высказаны лишь гипотетические предположения. Они основаны на сейсмологических данных и материалах экспериментального моделирования физико-химических процессов, происходящих в недрах при высоких давлениях и температурах. Скорость продольных сейсмических волн в мантии нарастает до13,6 км/с, поперечных – до 7,2-7,3 км/с.

Мантия Земли (верхняя и нижняя). Ниже раздела Мохоровичича между земной корой и ядром Земли находится мантия (до глубины около 2900 км). Это самая массивная из оболочек Земли – она составляет 83% объёма Земли и около 67% её массы. В мантии Земли по строению, составу и свойствам выделяют три слоя: слой Гуттенберга – В до глубины 200–400 км, слой Галицина – С до 700—900 км и слой D до 2900 км. В первом приближении слои В и С обычно объединяют в верхнюю мантию, а слой D рассматривают в качестве нижней мантии. В целом в пределах мантии плотность вещества и скорость сейсмических волн быстро возрастают.

Верхняя мантия. Считается, что верхняя мантия сложена магматическими горными породами, сильно обедненными кремнеземом, но обогащенными железом и магнием (так называемыми ультраосновными породами), главным образом перидотитом. Перидотит на 80% состоит из минерала оливина (Mg,Fe)₂ [SiО₄] и на 20% из пироксена (Mg,Fe)₂[Si₂O₆].

Земная кора отличается от нижележащих оболочек своим строе­нием и химическим составом. Подошва земной коры очерчивается сейсмической границей Мохоровичича, на которой скорости рас­пространения сейсмических волн резко возрастают и достигают 8 — 8,2 км/с.

Таблица 3.5. Распространенность горных пород в земной коре

(по А.Б. Ронову, А.А.Ярошевскому, 1976. и по В.В. Добровольскому, 2001)

Земная поверхность и примерно 25-километровая часть земной коры формируются под воздействием:

1) эндогенных процессов (текто­нические или механические и магматические процессы), благода­ря которым создается рельеф земной поверхности и формируются толщи магматических и метаморфических горных пород;

2) экзо­генных процессов, вызывающих денудацию (разрушение) и вы­равнивание рельефа, выветривание и перенос обломков горных пород и переотложение их в пониженных частях рельефа. В резуль­тате протекания весьма разнообразных экзогенных процессов фор­мируются осадочные горные породы, составляющие самый верх­ний слой земной коры.

Выделяют два основных типа земной коры: континентальный (гранито-гнейсовый) и океанский (базаль­товый) с прерывистым осадочным слоем. Переход от коры континентального типа к коре оке­анического типа представлен на рис. 3.8.

В континентальной коре выделяют три слоя: верхний — осадоч­ный и два нижних, сложенных кристаллическими породами. Мощ­ность верхнего осадочного слоя меняется в широких пределах: от практически полного отсутствия на древних щитах до 10 — 15 км на шель­фах пассивных окраин континентов и в краевых прогибах плат­форм. Средняя мощность осадков на стабильных платформах со­ставляет около 3 км.

Под осадочным слоем находятся толщи с преобладанием в них магматических и метаморфических горных пород гранитоидного ряда, относительно богатых кремнеземом. Местами в областях расположения древ­них щитов они выходят на земную поверхность (Канадский, Бал­тийский, Алданский, Бразильский, Африканский и др.). Породы «гранитного» слоя обычно преобразованы процессами региональ­ного метаморфизма и имеют очень древний возраст (80% континентальной земной коры древнее 2,5 млрд. лет).

Под «гранитным» слоем располагается «базальтовый» слой. Вещественный состав его не изучен, но судя по данным геофизических исследований, предполагается, что он близок с породами океанской коры.

Как континенталь­ная, так и океанская кора подстилаются породами верхней ман­тии, от которой они отделяются границей Мохоровичича (граница Мохо).

В целом Земная кора состоит преимущественно из силикатов и алюмосиликатов. В ней пре­обладают кислород (43,13 %), кремний (26 %) и алюминий (7,45 %), главным образом представленные в форме оксидов, силикатов и алюмосиликатов. Средний химический состав земной коры приве­ден в табл. 3.6.

В земной коре континентального типа отмечается сравнительно высокое содержание долгоживущих радиоактивных изотопов урана ²³⁸U, тория ²³²Th и калия ⁴⁰K. Их наибольшая концентрация характерна для «гранитного» слоя.

Океаническая кора отличается от континентальной по химическому составу и строению, но так же имеет трехслойное строение

Самый верхний слой — осадочный — представлен песчано-глинистыми и карбонатны­ми осадками, отложившимися на небольших глубинах. На больших глубинах отла­гаются кремнистые илы и глубоководные красные глины.

Средняя мощность океанских осадков не превышает 500 м и только у под­ножия материковых склонов, особенно в районах крупных речных дельт, она возрастает до 12 —15 км. Вызвано это своеобразной бы­стротечной «лавинной» седиментацией, когда практически весь терригенный материал, выносимый речными системами с конти­нента, отлагается в прибрежных частях океанов, на материковом склоне и у его подножия.

Второй слой океанской коры в верхней части слагается поду­шечными лавами базальтов. Ниже располагаются долеритовые дайки того же состава. Общая мощность второго слоя океанской коры составляет 1,5 км и редко достигает 2 км. Под дайковым комплек­сом располагаются габбро и серпентениты, представляющие собой верхнюю часть третьего слоя. Мощность габбро-серпентинитового слоя достигает 5 км. Таким образом, общая мощность океанской коры без осадочного чехла составляет 6,5 — 7 км. Под осевой частью срединно-океанских хребтов мощность океанской коры сокращается до 3—4, а иногда и до 2 — 2,5 км.

Под гребнями срединно-океанских хребтов океанская кора залегает над очагами базальтовых расплавов, выделившихся из вещества астеносферы. Средняя плотность океанской коры без осадочного слоя составляет 2,9 г/см³. Исходя из этого общая масса океанской коры составляет 6,4 • 10²⁴ г. Океанская кора формируется в рифтовых областях срединно-океанских хребтов за счет поступления базальтовых расплавов из астеносферного слоя Земли и излияния толеитовых базальтов на океанское дно.

Содержание радиоактивных элементов в ней ничтожно мало. Океанская кора по своему составу примитивна и фактически представляет верхний слой дифференцированной мантии, сверху перекрытый тонким слоем пелагических осадков.

Литосфера. Залегающую выше астеносферы твердую плотную оболочку (включая земную кору) называют литосферой (греч. "литос" - камень). Характерным признаком литосферы является её жесткость и хрупкость. Именно хрупкостью объясняется наблюдаемое блочное строение литосферы. Она разбита крупными трещинами – глубинными разломами на крупные блоки — литосферные плиты.

Благодаря глобальной системе механических напряжений, чьё возникновение связано с вращением Земли, литосфера расколота на фрагменты – блоки разломами субмеридиального, субширотного и диагонального направлений. Эти разломы обеспечивают относительную независимость движения блоков литосферы относительно друг друга, чем и объясняется разница в строении и геологической истории отдельных литосферных блоков и их ассоциаций. Разделяющие блоки разломы, являются ослабленными зонами, по которым поднимаются магматические расплавы и потоки паров и газов.

В отличие от литосферы вещество астеносферы не обладает пределом прочности и может деформироваться (течь) при действии даже очень небольших нагрузок.

Химический состав земной коры. Распространенность элементов в земной коре характеризуются большим контрастом, достигающим 10¹⁰.Самые распространенные химические элементы (рис. 3.10) на всей Земле это:

- кислород (О₂) – составляет 47 масс % земной коры. Он входи в состав около 2 тысяч минералов;

- кремний (Si) – составляет 29,5% и входит в более чем тысячу минералов;

- алюминий (Аl) – 8,05%;

- железо (Fe), кальций (Са), калий (К), натрий (Na), титан (Ti), магний (Mg) – составляют первые % массы земной коры;

На долю остальных элементов приходится около 1%.

А.Е. Ферсман предложил выражать числа кларка не в весовых, а в атомных процентах, что лучше отражает соотношения количеств атомов, а не их масс и сформулировал три основные закономерности:

1. Распространенность элементов в земной коре характеризуются большим контрастом, достигающим 10¹⁰.

2. Всего девять элементов O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, H, являются главными строителями литосферы, составляя 99,18% ее веса. Из них на первые три приходится 84,55%. На долю остальных 83 приходится менее 1% (рис.3.9.).

3. Ведущий элемент – кислород. Его массовый кларк оценивается в интервале 44,6 – 49%, атомный – 53,3 (по А.Е. Ферсману), а объемный (по В.М. Гольдщмидту) – 92%.

Таким образом, земная кора и по объему и по массе состоит главным образом из кислорода.

Если средние содержания элементов в коре в первом приближении можно считать неизменными на протяжении всей ее истории, то в отдельных ее участках идут периодические изменения. Хотя земная кора не является закрытой системой, ее обмен массами вещества с космосом и более глубокими зонами планеты пока не могут быть учтены количественно, выходят за пределы точности наших измерений и явно не повлияют на числа кларков.

Кларк. В 1889 г. американский геохимик Фрэнк Кларк впервые определил средние содержания химических элементов в земной коре. В честь него русский академик А.Е.Ферсман предложил называть " кларками " - средние содержания химических элементов в какой-либо природной системе - в земной коре, в горной породе, в минерале[13]. Чем выше природный кларк химического элемента, тем больше минералов, в состав которых входит этот элемент. Так, кислород встречается почти в половине всех известных минералов. Любая территория, которая содержит более кларка данного вещества, является потенциально интересной, так как там могут иметься промышленные запасы данного вещества. Такие участки исследуются геологами с целью выявления месторождений полезных ископаемых.

Некоторые химические элементы (например, радиоактивные) со временем изменяются. Так, уран и торий, распадаясь, превращаются в устойчивые элементы - свинец и гелий. Это дает основание предполагать, что в минувшие геологические эпохи кларки урана и тория были, очевидно, значительно выше, а кларки свинца - ниже, чем сейчас. По-видимому, это относится и ко всем другим элементам, подверженным радиоактивным превращениям. Изотопный состав некоторых химических элементов со временем меняется (например, изотоп урана ²³⁸U). Предполагают, что два млрд. лет назад атомов изотопа ²³⁵U на Земле было почти в шесть раз больше, чем сейчас.

Date: 2015-09-25; view: 3217; Нарушение авторских прав