134 (Земля - планета Солнечной системы), страница 4

2. «Твёрдая» Земля

О строении, составе и свойствах «твёрдой» Земли имеются преимущественно предположительные сведения, поскольку непосредственному наблюдению доступна лишь самая верхняя часть земной коры. Все данные о более глубоких недрах планеты получены за счёт разнообразных косвенных (главным образом геофизических) методов исследования. Наиболее достоверны из них — сейсмические методы, основанные на изучении путей и скорости распространения в Земле упругих колебаний (сейсмических волн). С их помощью удалось установить разделение «твёрдой» Земли на отдельные сферы и составить представление о внутреннем строении Земли. (см. табл. 5).

Табл. 5.—Основные данные о геосферах «твёрдой» Земли

• Разность между средним радиусом З. и средним радиусом границы (кроме коры). ** Кора по А. Б. Ронову и А. А. Ярошевскому (1969), остальные по Ф. Бёрчу (1964).

а) Строение «твёрдой» Земли.

Верхняя сфера «твёрдой» Земли — земная кора (А) — самая неоднородная и сложно построенная. Из нескольких типов земной коры преобладающее распространение имеют материковая и океаническая; в строении первой различают три слоя: верхний — осадочный (от 0 до 20 км), средний, называемый условно «гранитным» (от 10 до 40 км), и нижний, т. н. «базальтовый» (от 10 до 70 км), отделяющийся от «гранитного» поверхностью Конрада.

Под океанами осадочный слой на обширных площадях имеет толщину лишь в несколько сотен метров. «Гранитный» слой, как правило, отсутствует: вместо него наблюдается т. н. «второй» слой неясной природы, толщиной около 1—2,5 км. Мощность «базальтового» слоя под океанами — около 5 км. Кроме основных типов коры, встречается несколько типов «промежуточного» строения, в том числе кора субконтинентальная (под некоторыми архипелагами) и субокеаническая (в глубоководных впадинах окраинных и внутриконтинентальных морей). Субконтинентальная кора характеризуется нечётким разделением «гранитного» и «базальтового» слоев, которые объединяются под названием гранитно-базальтового. Кора субокеаническая близка к океанической, отличаясь от неё большей мощностью в целом и осадочного слоя в частности. С помощью сейсмических методов четко устанавливается поверхность раздела, отделяющая земную кору от нижележащей мантии. Мантия состоит из трёх слоев (В, С и D) и простирается от поверхности Мохоровичича до глубины 2900 км, где она граничит с ядром Земли. Слои В и С образуют верхнюю мантию (толщиной 850—900 км), слой D — нижнюю мантию (около 2000 км). Верхнюю часть слоя В, залегающую непосредственно под корой, называется субстратом; кора вместе с субстратом составляет литосферу. Нижнюю часть верхней мантии называют именем открывшего её свойства сейсмолога Б. Гуттенберга. Скорость распространения сейсмических волн в пределах слоя Гуттенберга несколько меньше, чем в выше- и нижележащих слоях, что связывают с повышенной текучестью его вещества. Отсюда — второе название слоя Гуттенберга — астеносфера (слабая сфера). Этот слой является сейсмическим волноводом, поскольку сейсмический «луч» (путь волны) долгое время идёт вдоль него. Лежащий ниже слой С (Голицына слой) выделен как зона быстрого нарастания с глубиной скоростей сейсмических волн (продольных от 8 до 11,3 км/сек, поперечных от 4,9 до 6,3 км/сек). Земное ядро имеет средний радиус около 3,5 тыс. км и делится на внешнее ядро (слой Е) и субъядро (слой G) с радиусом около 1,3 тыс. км. Их разделяет переходная зона (слой F) толщиной около 300 км, которую относят обычно к внешнему ядру. На границе ядра наблюдается скачкообразное падение скорости продольных волн (от 13,6 до 8,1 км/сек). Внутри ядра она возрастает, увеличиваясь скачком до 11,2 км/сек., вблизи границы субъядра. В субъядре сейсмические волны распространяются почти с неизменной скоростью.

б) Физические характеристики и химический состав «твёрдой» Земли.

С глубиной в Земле изменяются значения плотности, давления, силы тяжести, упругих свойств вещества, вязкости и температуры. Средняя плотность земной коры в целом — 2,8 т/м³. Средняя плотность осадочного слоя коры — 2,4—2,5 т/м³, «гранитного» — 2,7 т/м³, «базальтового» — 2,9 т/м³. На границе земной коры и мантии (поверхность Мохоровичича) плотность увеличивается скачком от значений 2,9—3,0 т/м³ до 3,1—3,5 т/м³. Далее она плавно растет, достигая у подошвы слоя Гуттенберга 3,6 т/м³. у подошвы слоя Голицына 4,5 т/м³ и у границы ядра 5,6 т/м³. В ядре плотность скачком поднимается до 10,0 т/м³, а далее плавно возрастает до 12,5 т/м³ в центре Земли.

Ускорение силы тяжести в Земле не изменяется скачком. До глубины 2500 км оно отклоняется от значения 10 м/сек менее чем на 2%, на границе ядра равно 10,7 м/сек² и далее плавно убывает до нуля в центре Земли. По данным о плотности и ускорении силы тяжести вычисляется давление, которое непрерывно растёт с глубиной. У подошвы материковой коры оно близко к 1 Гн/м² (10⁹н/м²), у подошвы слоя В — 14 Гн/м², слоя С — 35 Гн/м², на границе ядра — 136 Гн/м², в центре Земли — 361 Гн/м². Зная плотность и скорости сейсмических волн, вычисляют величины, характеризующие упругие свойства материала Земли. Их ход в зависимости от глубины показан на втором графике.

В земной коре и верхней мантии температура повышается с глубиной. Из мантии к поверхности «твёрдой» Земли идёт тепловой поток, в несколько тыс. раз меньший поступающего от Солнца (в среднем около 0,06 вт/м² или около 2,5*10¹³ вт на всю поверхность З.). В мантии температура везде ниже температуры полного расплавления слагающего её материала. Под материковой корой она предполагается близкой к 600—700 °С. В слое Гуттенберга температура, по-видимому, близка к точке плавления (1500—1800 °С). Оценка температур для более глубоких слоев мантии и ядра З. носит весьма предположительный характер. По-видимому, в ядре она не превышает 4000—5000 °С.

Вязкость материала мантии выше и ниже границ астеносферы, видимо, не менее 10²³nз; вязкость астеносферы сильно понижена (10¹⁹—10²¹nз). Считается, что благодаря этому в астеносфере происходит медленное перетекание масс в горизонтальном направлении под влиянием неравномерной нагрузки со стороны земной коры (восстановление изостатического равновесия). Вязкость внешнего ядра на много порядков меньше вязкости мантии.

В верхней мантии до глубины 700 км отмечаются очаги землетрясений, что указывает на значительную прочность слагающего её материала; отсутствие более глубоких сейсмических очагов объясняется либо малой прочностью вещества, либо отсутствием достаточно сильных механических напряжений.

Электропроводность в верхней части слоя В очень низка (порядка 10^-2 ом^-1(м^-1); в слое Гуттенберга она повышена, что связывают с ростом температуры. В слое Голицына она постепенно увеличивается приблизительно до 10—100 ом^-1*м^-1, а в нижней мантии, по-видимому, возрастает ещё на порядок. В ядре Земли электропроводность очень высока, что указывает на металлические свойства его вещества.

Из современных космогонических гипотез вытекает, что химический состав планет, их спутников и метеоритов должен быть близок к составу Солнца. Сопоставляя известные химические анализы земных и лунных пород, метеоритов, спектральные анализы Солнца и учитывая данные о плотности и др. физических свойствах материала в недрах Земли, можно в общих чертах охарактеризовать состав Земли в целом и состав её различных геосфер.

Табл. 6.—Химический состав Земли

В табл. 6 приводится общий химический состав Земли, согласно подсчётам американского геохимика Б. Мейсона. При этом предполагается, что ядро состоит из железо-никелевого сплава, подобного металлической фазе хондритов. Относительно состава земного ядра существуют две гипотезы. Согласно первой — ядро состоит из железа с примесью (18—20%) кремния (или иного, сравнительно лёгкого материала); согласно второй — внешнее ядро слагается силикатом, который под влиянием огромного давления и высокой температуры перешёл в металлическое состояние; субъядро может быть железным или силикатным.

В составе Земли преобладают (как по массе, так и по числу атомов) железо, кислород, кремний и магний. В сумме они составляют более 90% массы Земли. Земная кора почти наполовину состоит из кислорода и более чем на четверть из кремния. Значительная доля принадлежит также алюминию, магнию, кальцию, натрию и калию. Кислород, кремний, алюминий дают наиболее распросранённые в коре соединения — кремнезём (SiO₂) и глинозём (A1₂O₃).

Мантия состоит преимущественно из тяжёлых минералов, богатых магнием и железом. Они образуют соединения с SiO₂ (силикаты). В субстрате, по-видимому, больше всего форстерита (MgSiO₄), глубже постепенно возрастает доля фаялита (Fe₂SiO₄). Предполагается, что в нижней мантии под влиянием очень высокого давления эти минералы разложились на окислы (SiO₂, MgO, FeO).