ЛЕКЦИЯ 8. Внутреннее строение Земли и Земной коры
До сих пор мы рассматривали и изучали минералы и горные породы и процессы, влияющие на их образование и преобразование. Они доступны для изучения лишь в верхней части Земли. А что же представляет собой Земля в целом, каково ее строение и состав? Все эти и другие вопросы рассмотрим в этой лекции.
Итак - Земля является планетой Солнечной системы. По форме это эллипсоид, у которого экваториальный радиус = 6378,2 км; а полярный радиус = 6356,86 км. Средний радиус ~6371 км. Площадь поверхности Земли составляет~510 млн. км2, из них 70,8% занимает Мировой океан.
Внутреннее строение Земли
Чтобы понять каким образом геологи создали модель строения Земли, надо знать основные свойства и их параметры, характеризующие все части Земли. К таким свойствам (или характеристикам) относятся:
1. Физические - плотность, упругие магнитные свойства, давление и температура.
2. Химические - химический состав и химические соединения, распределение химических элементов в Земле.
Исходя из этого, определяется выбор методов исследования состава и строения Земли. Кратко рассмотрим их.
Прежде всего, отметим, что все методы разделяются на:
· прямые - опираются на непосредственное изучение минералов и горных пород и их размещении в толщах Земли;
· косвенные - основаны на изучении физических и химических параметров минералов, пород и толщ с помощью приборов.
Прямыми методами мы можем изучить лишь верхнюю часть Земли, т.к. самая глубокая скважина (Кольская) достигла~12 км. О более глубоких частях можно судить по вулканическим извержениям.
Глубинное внутреннее строение Земли изучается косвенными методами, в основном комплексом геофизических методов. Рассмотрим основные из них.
1.Сейсмический метод (греч. сейсмос - трясение) - опирается на явление возникновения и распространения упругих колебаний (или сейсмических волн) в различных средах. Упругие колебания возникают в Земле при землетрясениях, падениях метеоритов или взрывах и начинают распространяться с разной скоростью от очага их возникновения (очага землетрясения) до поверхности Земли. Выделяют два типа сейсмических волн:
1-продольные P-волны (самые быстрые), проходят через все среды - твердые и жидкие;
2-поперечные S-волны, более медленные и проходят только через твердые среды.
Сейсмические волны при землетрясениях возникают на глубинах от 10 км до 700 км. Скорость сейсмических волн зависит от упругих свойств и плотности горных пород, которые они пересекают. Достигая поверхности Земли, они как бы просвечивают ее и дают представление о той среде, которую пересекли. Изменение скоростей дает представление о неоднородности и расслоенности Земли. Кроме изменения скоростей, сейсмические волны испытывают преломление, проходя через неоднородные слои или отражение от поверхности, разделяющей слои.
2.Гравиметрический метод основан на изучении ускорения силы тяжести Δg, которое зависит не только от географической широты, но и от плотности вещества Земли. На основании изучения этого параметра установлена неоднородность в распределении плотности в разных частях Земли.
3.Магнитометрический метод - основан на изучении магнитных свойств вещества Земли. Многочисленные измерения показали, что различные горные породы отличаются друг от друга по магнитным свойствам. Это приводит к образованию участков с неоднородными магнитными свойствами, которые позволяют судить о строении Земли.
Сопоставляя все характеристики, ученые создали модель строения Земли, в которой выделяют три главные области (или геосферы):
1-Земная кора, 2-Мантия Земли, 3-Ядро Земли.
Каждая из них в свою очередь разделяется на зоны или слои. Рассмотрим их и основные параметры суммируем в таблице.
1. Земная кора (слой А)- это верхняя оболочка Земли, ее мощность колеблется от 6-7км до 75км.
2.Мантия Земли подразделяется на верхнюю (со слоями: В и С) и нижнюю (слой D).
| Параметры Геосферы | Глубина поверхностираздела, км | Название границы | Скорость распространения сейсмических волн
| Плотность г/см3 | Химический состав | |||
| Земная кора слой А | Мохоровичича | 5.5-7.4 | 3.2-4.3 | 2.8 | O, Si, Al | |||
| Мантия | верхняя нижняя | слой В слой С слой D | _ _ _ Гуттенберга | 7.9-9.0 9.0-11.4 11.4-13.6 13.6 | 4.5-5.0 5.0-6.4 6.4-7.3 7.3 | 3.7 4.6 5.5-5.7 | перидотиты дуниты Si, Mg, Fe оксиды пиролит | |
| внешнее слой Е Ядро переходная слой F внутреннее слой G | _ Лемана _ | 8.1-10.4 10.4-9.5 11.2-11.3 | _ _ _ | 9.7-10.0 11.5 12.5-13 | Fe+Ni+FeO FeS-троилит Fe+Ni | |||
3. Ядро - подразделяется на внешнее (слой Е) и внутреннее (слой G), между которыми располагается переходная зона - слой F.
Границей между земной корой и мантией является раздел Мохоровичича, между мантией и ядром также резкая граница- раздел Гуттенберга.
Из таблицы видно, что скорость продольных и поперечных волн возрастает от поверхности к более глубоким сферам Земли.
Особенностью верхней мантии является наличие зоны, в которой резко падает скорость поперечных волн до 0.2-0.3 км/сек. Это объясняется тем, что наряду с твердым состоянием, мантия частично представлена расплавом. Этот слой пониженных скоростей называют астеносферой. Его мощность 200-300 км, глубина 100-200 км.
На границе мантии и ядра происходит резкое снижение скорости продольных волн и затухание скорости поперечных волн. На основании этого сделано предположение, что внешнее ядро находится в состоянии расплава.
Средние значения плотности по геосферам показывают ее возрастание к ядру.
О химическом составе Земли и ее геосфер дают представление:
1- химический состав земной коры,
2 - химический состав метеоритов.
Химический состав земной коры изучен достаточно детально - известен ее валовый химический состав и роль химических элементов в минерало- и породообразовании. Труднее обстоит дело с изучением химического состава мантии и ядра. Прямыми методами мы этого пока сделать не можем. Поэтому применяют сравнительный подход. Исходным положением является предположение о протопланетном сходстве между составом метеоритов, упавших на землю, и внутренних геосфер Земли.
Все метеориты, попавшие на Землю, по составу делятся на типы:
1-железные, состоят из Ni и 90% Fe;
2-железокаменные (сидеролиты) состоят из Fe и силикатов,
3-каменные, состоящие из Fe-Mg силикатов и включений никелистого железа.
На основании анализа метеоритов, экспериментальных исследований и теоретических расчетов ученые предполагают (по таблице), что химический состав ядра - это никелистое железо. Правда, в последние годы высказывается точка зрения, что кроме Fe-Ni в ядре могут быть примеси S, Si или О. Для мантии химический спектр определяется Fe-Mg силикатами, т.е. своеобразный оливино-пироксеновый пиролит слагает нижнюю мантию, а верхнюю - породы ультраосновного состава.
Химический состав земной коры включает максимальный спектр химических элементов, который выявляется в многообразии минеральных видов, известных к настоящему времени. Количественное соотношение между химическими элементами достаточно велико. Сравнение наиболее распространенных элементов в земной коре и мантии показывает, что ведущую роль играют Si, Al и О2.
Таким образом, рассмотрев основные физические и химические характеристики Земли, мы видим, что их значения неодинаковы, распределяются зонально. Тем самым, давая представление о неоднородном строении Земли.
Строение Земной коры
Рассмотренные нами ранее типы горных пород - магматические, осадочные и метаморфические участвуют в строении земной коры. По своим физико-химическим параметрам все породы земной коры группируются в три крупных слоя. Снизу вверх это: 1-базальтовый, 2-гранито-гнейсовый, 3-осадочный. Эти слои в земной коре размещены неравномерно. Прежде всего, это выражается в колебаниях мощности каждого слоя. Кроме того, не во всех частях наблюдается полный набор слоев. Поэтому более детальное изучение позволило по составу, строению и мощности выделить четыре типа земной коры: 1-континентальный, 2-океанский, 3-субконтинентальный, 4-субокеанский.
1. Континентальный тип- имеет мощность 35-40 км до 55-75 км в горных сооружениях, содержит в своем составе все три слоя. Базальтовый слой состоит из пород типа габбро и метаморфических пород амфиболитовой и гранулитовой фаций. Называется он так потому, что по физическим параметрам он близок базальтам. Гранитный слой по составу - это гнейсы и гранито-гнейсы.
2.Океанский тип - резко отличается от континентального мощностью (5-20 км, средняя 6-7 км) и отсутствием гранито-гнейсового слоя. В его строении участвуют два слоя: первый слой осадочный, маломощный (до 1 км), второй слой - базальтовый. Некоторые ученые выделяют третий слой, который является продолжением второго, т.е. имеет базальтовый состав, но сложен ультраосновными породами мантии, подвергшихся серпентинизации.
3.Субконтинентальный тип - включает все три слоя и этим близок к континентальному. Но отличается меньшей мощностью и составом гранитного слоя (меньше гнейсов и больше вулканических пород кислого состава). Этот тип встречается на границе континентов и океанов с интенсивным проявлением вулканизма.
4. Субокеанский тип - располагается в глубоких прогибах земной коры (внутриконтинентальные моря типа Черного и Средиземного). От океанского типа отличается большей мощностью осадочного слоя до 20-25 км.