Строение Земли: как ученые заглянули внутрь планеты
Ты наверняка знаешь, что наша планета состоит из нескольких слоев: сверху находится земная кора, ниже лежит мантия, а в центре располагается ядро, которое делится на внешнее и внутреннее. Но каким образом ученые это выяснили? Ведь ни мантию, ни тем более ядро Земли никто никогда не видел. Может быть, геологи исследовали недра, просверлив в Земле гигантский шурф? Увы, самая глубокая скважина, когда-либо пробуренная людьми, – Кольская сверхглубокая – уходит вниз лишь на двенадцать с небольшим километров. Если представить нашу Землю в виде яблока, то этой скважиной мы бы даже не проткнули его кожуру!
ДВА СИГНАЛА ОТ ДВУХ ПОРОД
В 1909 году хорватский сейсмолог Андрия Мохоровичич с помощью разработанных им приборов-сейсмографов зарегистрировал небольшое землетрясение, произошедшее и 39 км 01 3aipe6a, где эти приборы были установлены. Казалось бы, сейсмографы должны были просто зафиксировать каждый толчок произошедшего землетрясения. Однако на приборах почему-то были видны записи не одного, а как будто двух землетрясений, имевших разную силу и произошедших в разное время. Присмотревшись внимательнее к показаниям прибора, Мохоровичич понял, что часть колебаний Земли достигла сейсмографов напрямую, а часть отразилась от пород, лежащих ниже и отличающихся от верхних своими свойствами. Границу между этими породами впоследствии назвали поверхностью Мохоровичича. А дальнейшие наблюдения с помощью сейсмических приборов, установленных в разных местах, показали, что она пролегает на глубине от 500 метров (в некоторых местах под океанами) до 70 километров (под крупнейшими горными массивами на континентах).
Прошло немного времени, и ученые установили сейсмографы по всему земному шару. Теперь, когда происходило землетрясение, приборы по всей планете регистрировали идущие от него колебания. Причем регистрировали они два типа сейсмических волн: продольные – это фактически звуковые колебания, передающиеся в горных породах, и поперечные, характеризующиеся смещением грунта из стороны в сторону. Вскоре немецкий ученый Бено Гутенберг заметил, что если землетрясение случается на противоположной от установленного сейсмографа стороне Земли, то продольные волны доходят до прибора обычным образом, а вот поперечные как будто огибают некое препятствие в центре Земли. Поскольку ученые уже знали, что поперечные волны, в отличие от продольных, не распространяются в жидкости, был сделан вывод, что где-то в центре Земли имеется жидкий слой. Проанализировав записи поперечных волн, ученые выяснили, что верхняя граница этого слоя находится на глубине около 2900 км относительно земной поверхности. Так была открыта еще одна невидимая подземная граница – поверхность Гутенберга.
А затем оказалось, что средняя скорость продольных волн, идущих через центр Земли или очень близко к нему, немного больше, чем у таких же волн, проходящих сбоку от центра. Очевидно, что в центре Земли скорость волн возрастает, и значит, здесь снова происходит изменение физических свойств ядра, а именно, оно из жидкого превращается в твердое! Так ученые установили, что на глубине более 5100 км находится твердое земное ядро.
ГОСТИ ИЗ ПОДЗЕМЕЛЬЯ
Итак, геологи и создали знакомую нам схему строения Земли. То, что выше поверхности Мохоровичича, назвали земной корой, слой между ней и границей Гутенберга – мантией, центральную часть – ядром, а место изменения скорости продольных волн в ядре определили как границу жидкого внешнего и твердого внутреннего ядра. Но из каких же веществ состоят эти слои?
Казалось бы, узнать состав мантии довольно просто, ведь на поверхности Земли много горных пород, которые сформировались в мантии. (Правда, тут нужно отличить породу, зародившуюся в мантии, от породы, образовавшейся в более высоком слое, но это можно сделать, зная, при каком давлении формируется тот или иной вид горных пород). Но проблема в том, что, перемещаясь из глубин Земли к поверхности, породы частично оплавляются. И если по химическому составу они действительно, скорее всего, очень близки к породам мантии, то по структуре – вряд ли.
К счастью, в мантийных породах иногда встречаются фрагменты, которые не подвергались плавлению. Например в базальтах можно найти включения, поднятые с глубины 80 км. А алмазы в кимберлитах (другом виде частично оплавленных пород мантии) образовались, как считают геологи, на глубинах 100-200 км, то есть алмаз – самый глубокий фрагмент Земли, доступный изучению.
Словом, геологический состав мантии установлен довольно точно. Однако остается неизвестным, как различные мантийные породы (а их на сегодняшний день известен уже не один десяток) соотносятся между собой, каковы закономерности их залегания. То, что мы знаем сейчас о мантии, можно сравнить с тем, что может узнать о горах человек, который их никогда не видел, но внимательно изучил гальку, принесенную с гор рекой.
А что же с составом ядра? Никакие его части на поверхности Земли не появлялись. Однако анализируя скорость распространения сейсмических волн в ядре, ученые довольно точно смогли определить его плотность. Оказалось, что на границе с мантией плотность ядра в 10, а в центре – в 14 раз больше плотности воды. Для сравнения: плотность горных пород на поверхности Земли превышает плотность воды в три-четыре раза. Логично предположить, что ядро состоит из металла, причем достаточно тяжелого – магний или алюминий не подойдут. А вот железо годится на эту роль, у него и плотность подходящая, и оно – самый распространенный металл во Вселенной. Поэтому ученые и сделали вывод что ядро Земли, скорее всего, состоит из железа.
Откуда мы знаем, что находится в ядре Земли?
Люди заполнили Землю. Мы завоевывали земли, летали по воздуху, ныряли в глубины океана. Мы даже побывали на Луне. Но мы никогда не были в ядре планеты. Мы даже и близко к нему не подобрались. Центральная точка Земли находится в 6000 километрах внизу, и даже самая дальняя часть ядра находится в 3000 километрах под нашими ногами. Самая глубокая дыра, которую мы сделали на поверхности — это Кольская сверхглубокая скважина в России, да и то она уходит вглубь земли на жалкие 12,3 километра.
Все известные события на Земле происходят близко к поверхности. Лава, которая извергается из вулканов, сначала плавится на глубине нескольких сотен километров. Даже бриллианты, которым необходимо чрезвычайное тепло и давление для образования, рождаются в породах на глубине не более 500 километров.
Все, что ниже, окутано тайной. Кажется недостижимым. И все же мы знаем довольно много интересного о нашем ядре. У нас даже есть некоторое представление о том, как оно сформировалось миллиарды лет назад — и все без единого физического образца. Как же нам удалось узнать так много о ядре Земли?
Для начала нужно хорошо подумать о массе Земли, говорит Саймон Редферн из Кембриджского университета в Великобритании. Мы можем оценить массу Земли, наблюдая за эффектом гравитации планеты, который она оказывает на объекты на поверхности. Выяснилось, что масса Земли составляет 5,9 секстиллиона тонн: это 59 с двадцатью нулями.
Но на поверхности нет признаков такой массы.
«Плотность материала на поверхности Земли намного ниже, чем средняя плотность всей Земли, что говорит нам о том, что есть что-то более плотное, — говорит Редферн. — Это первое».
По существу, большая часть земной массы должна быть расположена по направлению к центру планеты. Следующим шагом будет выяснить, из каких тяжелых материалов состоит ядро. И оно состоит почти полностью из железа. 80% ядра — это железо, однако точную цифру еще придется выяснить.
Главным доказательством этого является огромное количество железа во Вселенной вокруг нас. Это один из десяти самых распространенных элементов в нашей галактике, который также часто встречается в метеоритах. При всем этом на поверхности Земли намного меньше железа, чем можно было бы ожидать. Согласно теории, когда Земли образовалась 4,5 миллиарда лет назад, много железа утекло вниз к ядру.
Там сосредоточена большая часть массы, а значит, и железо должно там быть. Железо также относительно плотный элемент при нормальных условиях, а под сильным давлением в ядре Земли оно будет еще плотнее. Железное ядро могло бы объяснить всю недостающую массу.
Но погодите. Как железо вообще там оказалось? Железо должно было каким-то образом притянуться — в буквальном смысле — к центру Земли. Но сейчас этого не происходит.
Большая часть остальной Земли состоит из горных пород — силикатов — и расплавленное железо с трудом через них проходит. Подобно тому, как вода на жирной поверхности образует капли, железо собирается в небольших резервуарах, отказываясь растекаться и разливаться.
Возможное решение было обнаружено в 2013 году Венди Мао из Стэнфордского университета и ее коллегами. Они задались вопросом, что происходит, когда железо и силикат подвергаются сильному давлению глубоко в земле.
Плотно сжимая оба вещества при помощи алмазов, ученым удалось протолкнуть расплавленное железо через силикат. «Это давление существенно изменяет свойства взаимодействия железа с силикатами, — говорит Мао. — При высоком давлении образуется «сеть плавления».
В этот момент вы можете спросить: откуда мы, собственно, знаем размер ядра? Почему ученые считают, что оно начинается в 3000 километрах? Ответ один: сейсмология.
Когда происходит землетрясение, оно посылает ударные волны по всей планете. Сейсмологи записывают эти колебания. Будто бы мы бьем по одной стороне планеты гигантским молотом и прислушиваемся к шуму на другой стороне.
«В 1960-х годах произошло землетрясение в Чили, которое дало нам огромное количество данных, — говорит Редферн. — Все сейсмические станции по всей Земле записывали толчки этого землетрясения».
В зависимости от маршрута этих колебаний, они проходят через разные участки Земли, и это влияет на то, какой «звук» они издают на другом конце.
В начале истории сейсмологии стало очевидно, что некоторые колебания пропали без вести. Эти «S-волны» ожидали увидеть на другом конце Земли после происхождения на одном, но не увидели. Причина этому простая. S-волны реверберируют через твердый материал и не могут проходить через жидкость.
Должно быть, они столкнулись с чем-то расплавленным в центре Земли. Составив карту путей S-волн, ученые пришли к выводу, что на глубине примерно 3000 километров породы становятся жидкими. Это также говорит о том, что все ядро расплавленное. Но у сейсмологов был и другой сюрприз в этой истории.
Идея Леман была подтверждена в 1970 году, когда более чувствительные сейсмографы показали, что P-волны действительно проходят через ядро и, в некоторых случаях, отражаются от него под некоторыми углами. Неудивительно, что в конце концов они оказываются на другой стороне планеты.
Конкурирующие страны узнавали о ядерном потенциале друг друга и параллельно с этим мы узнавали все больше и больше о ядре Земли. Сейсмология до сих пор используется для обнаружения ядерных взрывов сегодня.
Вопросов от этого не становится меньше, особенно на тему внутреннего ядра. К примеру, насколько оно горячее? Выяснить это оказалось не так-то просто, и ученые долгое время ломали голову, говорит Лидунка Вокадло из Университетского колледжа Лондона в Великобритании. Мы не можем засунуть туда термометр, поэтому единственный возможный вариант — это создать нужное давление в лабораторных условиях.
В 2013 году группа французских ученых произвели лучшую оценку на сегодняшний день. Они подвергли чистое железо давлению в половину того, что имеется в ядре, и отталкивались уже от этого. Температура плавления чистого железа в ядре составляет примерно 6230 градусов. Присутствие других материалов может немного снизить точку плавления, до 6000 градусов. Но это все равно горячее, чем на поверхности Солнца.
Будучи своего рода поджаренной картошкой в мундире, ядро Земли остается горячим, благодаря теплу, оставшемуся от образования планеты. Оно также извлекает тепло из трения, возникающего по мере движения плотных материалов, а также распада радиоактивных элементов. Остывает оно примерно на 100 градусов по Цельсию каждый миллиард лет.
Знать эту температуру полезно, поскольку она влияет на скорость прохождения колебаний через ядро. И это удобно, потому что в этих вибрациях есть что-то странное. P-волны проходят неожиданно медленно через внутреннее ядро — медленнее, чем если бы оно состояло из чистого железа.
«Скорости волн, которые сейсмологи измерили в землетрясениях, значительно ниже, чем показывает эксперимент или компьютерный расчет, — говорит Вокадло. — Никто пока не знает, почему так».
Очевидно, к железу примешивается другой материал. Возможно, никель. Но ученые посчитали, как сейсмические волны должны проходить через железо-никелевый сплав, и не смогли подогнать расчеты под наблюдения.
Вокадло и ее коллеги в настоящее время рассматривают возможность присутствия в ядре других элементов, например, серы и кремния. Пока никто не смог придумать теорию состава внутреннего ядра, которая удовлетворила бы всех. Проблема Золушки: туфелька никому не подходит. Вокадло пытается экспериментировать с материалами внутреннего ядра на компьютере. Она надеется найти комбинацию материалов, температур и давления, которые будут замедлять сейсмические волны на правильную величину.
«Если этот эффект реален, мы могли бы примирить результаты минеральной физики с результатами сейсмологии, — говорит Вокадло. — Люди пока не могут этого сделать».
Существует еще много загадок, связаных с ядром Земли, которые еще предстоит решить. Но не имея возможности погрузиться на эти невообразимые глубины, ученые совершают подвиг, выясняя, что находится в тысячах километров под нами. Скрытые процессы недр Земли чрезвычайно важно изучать. У Земли есть мощное магнитное поле, которое генерируется благодаря частично расплавленному ядру. Постоянное движение расплавленного ядра порождает электрический ток внутри планеты, и он, в свою очередь, генерирует магнитное поле, которое уходит далеко в космос.
Это магнитное поле защищает нас от вредного солнечного излучения. Не будь ядро Земли таким, каким оно является, не было бы магнитного поля, а мы бы серьезно от этого страдали. Вряд ли кто-нибудь из нас сможет увидеть ядро своими глазами, но хорошо просто знать, что оно там есть.
Основные сведения о внутреннем строении Земли
Планета в разрезе
География изучает поверхность Земли, строение и состав входящих в нее элементов: как выглядела планета в исторической перспективе, зачем изучать изображения Земли, каковы перспективы развития.
Существует деление внутренней составляющей планеты на слои по механическим или химическим свойствам.
Выделяют три основных слоя в строении планеты Земля:
Краткие сведения о структуре Земли
Земная кора — наружная часть литосферы. Особенности: континентальная земная кора имеет толщину 30-70 км, а океаническая кора — 5-7 км. Это каменная оболочка земли. Она покрывает всю планету. Состоит из горных пород, минералов и биогенных отложений.
Состав земной коры определяется с помощью химического анализа.
Схема состава земной коры: кремний и кислород + алюминий, железо, кальций, магний, натрий, калий, титан и малая доля других элементов.
Большую часть земной коры покрывает вода — гидросфера. Меньшая часть коры взаимодействует с воздушной оболочкой планеты — атмосферой.
Кора под континентами (материковая или континентальная) легче, чем океаническая. Кора под океанами состоит из осадочного и базальтового слоев.
Характеристика слоев континентальной коры:
Слои океанической земной коры ограничиваются осадочным и базальтовым слоями.
Литосфера — твердая оболочка Земли. Ее толщина составляет 70 км. В нее входят земная кора и верхняя часть мантии.
Мантию характеризуют слои:
Общая толщина мантии составляет около 2900 км.
Мантию иногда называют покрывалом ядра.
Ядро состоит из:
В конце XIX века ирландский геофизик Роберт Маллет положил начало науке сейсмологии.
Сейсмологией называется раздел геофизики, который изучает землетрясения, их причины, природу и последствия.
Носителями сейсмологической информации выступают сейсмические волны.
Сейсмические исследования дают представление о слоистой структуре Земли. Определяют физические свойства и динамику недр нашей планеты и других.
Термин сейсмология произошел от греческих слов seismos — колебание, землетрясение и logos — слово, учение.
Серия концентрических слоев становится плотнее ближе к центру. На плотность влияют два фактора: температура и давление. Температура в центре Земли достигает 3 000 °C. На границе между мантией и корой падает до 375 °C. Под действием давления породы твердеют и уплотняются.
Как образовалась столь сложная структура Земли
Происхождение планеты.
Эта звезда вращалась и притягивала на свою орбиту небольшие соседние тела. Они слипались в комки.
Земля и Луна родились из хаоса.
Земля образовалась из обломков звезд ранних поколений. Молекулы газа и частицы пыли объединялись. Образовывались глыбы и камни. Они состояли из частиц льда, железа и других веществ, которые были выброшены в космос. Силы притяжения сталкивали частицы и склеивали между собой.
Мелкие частицы соединялись в более крупные — планетезимали. Они сталкивались, разрушались и соединялись. Гравитация объектов росла, все больше вещества образовывалось. Появлялись раскаленные тела — прототипы планет.
Так постепенно возникло ядро планеты Земля.
Земля подвергалась бомбардировкам, сталкивалась с планетами, группами метеоритов. Один из таких ударов мог образовать Луну.
Энергия столкновения могла расплавить верхние слои земной коры и изменить геологию планеты. Земля могла расплавиться до самого ядра. Формирование твердой поверхности началось заново.
Неизвестно, в какой временной промежуток Земля обзавелась корой. Сегодняшняя кора по возрасту достигает 3,8 миллиарда лет. Большинство утесов изменилось под влиянием температур и давления.
Сейчас Земля покрыта несколькими большими жесткими плитами, которые постоянно движутся и трутся друг о друга. Это тектоника плит или платформ. Земные породы постоянно перемешиваются и преобразуются. Без таких процессов у планеты не было бы стабильного климата, запасов нефти и минералов.
Предположения о ядре
Ядро начинается на глубине 2890 км. Его радиус составляет 3470 км.
В ядре принято изображать два слоя: внутреннее ядра и внешнее. Но так было не всегда.
В начале времен планета Земля не обладала структурой. Затем железо и никель устремились к центру планеты. Как это произошло, точно неизвестно. Но есть предположение, что ядро образовалось внезапно, когда тяжелые вещества двигались вглубь планеты. Другие считают, что железо медленно проникало в ядро.
Ядро сформировалось, когда планете было 30-100 миллионов лет. Вихревые движения в жидком ядре запустили 3,5 миллиарда лет назад магнитное поле. Потом в промежутке от 1,5 до 1 миллиарда лет назад температура в центре ядра снизилась. В ядре произошла кристаллизация. Образовалось твердое ядро.
В XVII веке Э. Галлей предположил, что Земля состоит из полого корпуса. Его толщина составила около 500 миль. Две концентрические оболочки образовались вокруг внутреннего ядра. Диаметры соответствовали диаметрам Венеры, Марса и Меркурия. Но перечисленные научные данные из области геофизики, геодезии, астрономии и химии в XIX веке опровергли эту гипотезу.
Методы исследования структуры Земли
Представления о строении Земли, изучение процесса строятся на основании данных топографии, батиметрии и гравиметрии.
Топография — на основе наземных, воздушных и космических съемочных работ изучает методы изображения географических участков местности. На их основе создают топографические карты и планы.
Научная дисциплина может рассматриваться как самостоятельный раздел картографии и геодезии.
Батиметрия — изучает рельеф подводной части мирового океана, озер, рек и т. д. Результатами работы становятся батиметрические съемки нужного региона.
Название дисциплины соединяет греческие термины «глубина» и «мера».
Данные батиметрии используют для навигации и научных изысканий.
Гравиметрия — наука об измерении величин гравитационного поля Земли и других небесных тел.
Данные представляются схемами и таблицами.
Также представления о строении Земли формируются на основе наблюдения горных пород в обнажениях, образцах, которые подняли с больших глубин; анализа сейсмических волн и экспериментах с кристаллическими телами при температурах и давлениях, близких к недрам планеты.
Ядро исследуют с помощью анализа радиоактивных изотопов, которые содержаться в вулканических породах глубоко внутри Земли.
Вещества, которые входят в состав мантии, еще до конца не изучены, сведений мало. Ответы на вопросы находят путем выдвижения гипотез и лабораторных экспериментов.
Мантия находится глубоко под Землей. Самые глубокие буровые скважины не доходят до нее. При прорыве газов через земную кору образуются кимберлитовые трубки. Через них поступают мантийные породы и минералы.
Один из известных — алмаз.
Мантию можно исследовать с помощью нейтрино.
Нейтрино — нейтральные частицы, практически не имеющие массы.
Эти частицы — разновидность антивещества, антинейтрино — выделяются в результате радиоактивного распада урана, тория и других радиоактивных изотопов глубоко под землей.
Анализ земной коры проводят с использованием кремния и алюминия. Их находят в континентальных областях. В сочетании с кислородом они дают гранит. Под океанским дном — базальтовые породы. В них преобладает кремний, магний и железо.
Но чистых образцов пород из мантии добыть не удалось.
Те породы, которые оказываются на поверхности — загрязнены.
При извержении вулканов выбрасываются сгустки мантии. В них содержится оливин и пироксен. В них много магния и железа.
Ученые пытаются узнать истину: строят предположения о составе мантии, используют косвенные доказательства. Они разработали детекторы для обнаружения антинейтрино. Человек становится ближе к пониманию основ.
Внутреннее строение и история геологического строения Земли
Земля, как и другие планеты, возникла из солнечного вещества. Документальными свидетелями допланетной стадии развития вещества и ранних этапов существования Земли служат соотношения изотопов и радиоактивность химических элементов, из которых состоят Земля и метеориты.
На основании данных астрофизики и космохимии можно предполагать, что задолго до формирования планет Солнечной системы их вещество прошло звездную стадию, включавшую синтез ядер атомов в недрах звезд, одна из которых была предком Солнечной системы. В результате взрыва этой звезды образовалась протопланетная туманность.
Исходным материалом для образования планет был так называемый звездный газ — разобщенные ионизированные атомы. По мере охлаждения в соответствии с температурными условиями из него возникали твердые частицы и происходила их консолидация. Древнейшими твердыми телами Солнечной системы являются метеориты.
Земля как небесное тело образовалась при температурах ниже точки плавления составляющих ее материалов. Затем начался ее нагрев под действием радиоактивных элементов. Помимо этого Земля нагревалась за счет кинетической энергии соударения метеоритных потоков. В результате произошла дифференциация химических веществ планеты на оболочки разного строения и состава.
Главнейшими методами изучения внутренних частей нашей планеты являются геофизические, в первую очередь наблюдения за скоростью распространения сейсмических волн, образующихся от взрывов или землетрясений.
Среди них выделяют волны продольных и поперечных колебаний. Продольные колебания представляют собой чередования сжатия и растяжения вещества в направлении распространения волны. Поперечные колебания представляют собой чередующиеся сдвиги в направлении, перпендикулярном распространению волны.
Продольные волны распространяются как в твердом, так и в жидком веществе, поперечные — только в твердом.
Следовательно, если при прохождении сейсмических волн через какое-либо тело будет обнаружено, что оно не пропускает поперечные волны, то можно считать, что это вещество находится в жидком состоянии. Если через тело проходят оба типа сейсмических волн, то это — свидетельство твердого состояния вещества.
Скорость волн увеличивается с возрастанием плотности вещества. При резком изменении плотности вещества скорость волн будет скачкообразно меняться.
В результате изучения распространения сейсмических волн через Землю обнаружено, что имеется несколько определенных границ скачкообразного изменения их скоростей. Поэтому считается, что Земля состоит из нескольких концентрических оболочек (геосфер).
На основании установленных трех главных границ раздела выделяют три главные геосферы: земную кору, мантию и ядро.
Первая граница раздела характеризуется скачкообразным увеличением скоростей продольных сейсмических волн от 5,9 до 8,2 км/с. Эта граница получила название раздела Мохоровичича (в честь открывшего ее ученого Андрея Мохоровичича, 1857–1936 гг.), или просто границы М.
Она отделяет земную кору от мантии. Плотность вещества земной коры не превышает 3,0 г/см3. Граница М расположена под континентами на глубине от 40 до 80 км, а под дном океанов — от 4 до 10 км.
Так как радиус земного шара равен 6371 км, земная кора представляет собой тонкую пленку на поверхности планеты, составляющую менее 1% ее общей массы и примерно 1,5% объема.
Мантия — самая мощная из геосфер. Она расположена на глубине 670–2900 км и составляет до 82% объема и 65% массы планеты. С глубиной плотность вещества мантии в целом возрастает с 3,3 до 9,7 г/см3, хотя это происходит неравномерно.
На границе с земной корой вещество мантии находится в твердом состоянии. Поэтому земную кору вместе с самой верхней частью мантии называют литосферой.
Несмотря на высокую температуру, судя по распространению сейсмических волн, вещество мантии преимущественно твердое. Колоссальное давление и высокая температура делают невозможным обычное кристаллическое состояние.
По-видимому, вещество мантии находится в особом высокоплотном состоянии, которое на поверхности Земли невозможно. Уменьшение давления или некоторое повышение температуры должны вызвать быстрый переход вещества в состояние расплава.
Мантию подразделяют на верхнюю (слой В — до глубины 400 км), среднюю (слой С — до глубины 1000 км) и нижнюю (слой Д — до глубины 2900 км). Границу между слоем В и переходной к нижней мантии зоной именуют также границей Голицына (в честь русского ученого Б. Б. Голицына (1862–1916 гг.), установившего ее).
В верхней мантии имеется зона, в которой скорость поперечных сейсмических волн значительно уменьшается. По-видимому, это связано с тем, что вещество в пределах зоны частично находится в жидком (расплавленном) состоянии.
Зона пониженной скорости распространения поперечных сейсмических волн показывает, что жидкая фаза составляет до 10%, что отражает более пластичное состояние вещества по сравнению с выше и ниже расположенными слоями мантии. Относительно пластичный слой пониженных скоростей сейсмических волн получил название астеносферы (отгреч. asthenes — слабый).
Мощность ослабленной зоны достигает 200–300 км. В центральных частях океанов астеносфера располагается на глубине около 50 км, под устойчивыми участками материков опускается глубже — до 100 км.
Астеносфера имеет весьма важное значение для развития глобальных эндогенных геологических процессов. Малейшее нарушение термодинамического равновесия ведет к образованию огромных масс расплавленного вещества (астенолитов), которые поднимаются вверх, способствуя перемещению отдельных блоков литосферы по поверхности Земли.
В астеносфере возникают магматические очаги. Исходя из тесной связи литосферы с астеносферой как частью верхней мантии, эти два слоя объединяют под названием “тектоносфера”.
В последнее время внимание ученых в мантии привлекает зона, расположенная на глубине 670 км. Полученные данные позволяют предполагать, что это нижняя граница конвективного тепломассообмена, который связывает верхнюю мантию с литосферой.
В пределах мантии скорость сейсмических волн в целом возрастает в радиальном направлении от 8,1 км/с на границе земной коры с мантией до 13,6 км/с в нижней мантии. Но на глубине около 2900 км скорость продольных сейсмических волн резко уменьшается до 8,1 км/с, а поперечные волны глубже вообще не распространяются. Этим намечается граница между мантией и ядром Земли.
Ученым удалось установить, что на границе мантии и ядра в интервале глубин 2700–2900 км происходит зарождение гигантских тепловых струй, периодически пронизывающих всю мантию и проявляющихся на поверхности Земли в виде обширных вулканических полей.
Ядро Земли — центральная часть планеты. Оно занимает только около 16% ее объема, но содержит около трети всей массы Земли. Радиус ядра — 347 км.
Судя по распространению сейсмических волн, периферия ядра находится в жидком состоянии. Здесь господствует чрезвычайно высокое давление (несколько миллионов атмосфер). В этих условиях происходит полное или частичное разрушение электронных оболочек атомов, вещество “металлизируется”, т. е. приобретает свойства, характерные для металлов, в том числе высокую электропроводность.
Возможно, что земной магнетизм является результатом электрических токов, возникающих в ядре в связи с вращением Земли вокруг своей оси.
Плотность внешней части ядра — 12,5 г/см3. Вещество ядра неоднородно. На глубине около 5100 км скорость распространения сейсмических волн вновь возрастает с 8,1 до 13,6 км/с. Поэтому предполагают, что центральная часть ядра твердая и ее плотность — около 10² г/см3.
Определение вещественного состава разных оболочек Земли представляет весьма сложную проблему. Для непосредственного изучения состава доступна лишь земная кора.
Имеющиеся данные свидетельствуют, что земная кора состоит преимущественно из силикатов, а 99,5% ее массы составляют восемь химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, натрий и калий. Все остальные химические элементы в сумме образуют около 1,5%.
О составе более глубоких сфер земного шара можно судить лишь ориентировочно, используя геофизические данные и результаты изучения состава метеоритов. Поэтому модели вещественного состава глубинных сфер Земли, разработанные разными учеными, различаются.
Можно с большой уверенностью предполагать, что верхняя мантия также состоит из силикатов, но содержащих меньше кремния и больше железа и магния по сравнению с земной корой, а нижняя мантия — из оксидов кремния и магния, кристаллохимическая структура которых значительно более плотная, чем у этих соединений, находящихся в земной коре.
По причине еще большей плотности центральной части ядра можно ожидать, что она близка к составу железных метеоритов и состоит из никелистого железа.
Историю строения Земли принято изображать в виде последовательных стадий, или фаз.
Фаза 1 (5–4 млрд лет назад). Происходит образование Земли из газа, пыли, или планетезималей. В результате столкновения планетезималей и энергии, выделяющейся в процессе распада радиоактивных элементов, Земля постепенно разогревается.
Падение на Землю гигантского метеорита приводит к выбросу материала, из которого образуется Луна.
Согласно другой концепции, Протолуна, находившаяся на одной из гелиоцентрическихорбит, была захвачена Протоземлей, в результате чего образовалась двойная система Земля — Луна.
Дегазация Земли приводит к началу образования атмосферы, состоящей в основном из углекислоты, метана и аммиака. В конце рассматриваемой фазы за счет конденсации водяного пара начинается образование гидросферы.
Фаза 2 (4–3,5 млрд лет назад). Возникают первые острова, протоконтиненты, сложенные из горных пород, содержащих преимущественно кремний и алюминий. Протоконтиненты незначительно возвышаются над еще очень мелководными океанами.
Фаза 3 (3,5–2,7 млрд лет назад). Железо собирается в центре Земли и образует ее жидкое ядро, которое обусловливает возникновение магнитосферы. Создаются предпосылки для появления первых организмов, бактерий. Продолжается формирование континентальной коры.
Фаза 4 (2,7–2,3 млрд лет назад). Образуется единый суперконтинент Пангея, который омывает суперокеан Панталасс.
Фаза 5 (2,3–1,5 млрдлетназад). Охлаждение коры и литосферы приводит к распаду суперконтинента на блоки-микроплиты, пространство между которыми заполняют осадочные породы и вулканы. В результате возникают складчато-надводные системы и образуется новый суперконтинент — Пангея I.
Органический мир представлен сине-зелеными водорослями, фотосинтезирующая деятельность которых способствует обогащению атмосферы кислородом, что ведет к дальнейшему развитию органического мира.
Фаза 6 (1700–650 млнлетназад). Происходит деструкция Пангеи I, образование бассейнов с корой океанского типа. Формируются два суперконтинента: Гондвана, куда вошли Южная Америка, Африка, Индия, Австралия и Антарктида и Лавразия, включающая Северную Америку и Евроазию. Гондвану и Лавразию разделяет море Тетис.
Наступают первые ледниковые эпохи. Органический мир стремительно насыщается многоклеточными бесскелетными организмами. Появляются первые скелетные организмы (трилобиты, моллюски и др.). Происходит нефтеобразование.
Фаза 7 (650–280 млн лет назад). Горный пояс Аппалачей в Америке соединяет Гондвану с Лавразией — образуется Пангея II. Обозначаются контуры палеозойских океанов — Палеоантлантического, Палеотетиса, Палеоазиатского.
Гондвана дважды охватывается покровным оледенением. Появляются рыбы, позднее амфибии. Растения и животные выходят на сушу. Начинается широкое углеобразование.
Фаза 8 (280–130 млн лет назад). Пангея II пронизывается все более густой сетью континентальных рифтов, щелевидных ровообразных растяжений земной коры.
Начинается раскалывание суперконтинента. Африка отделяется от Южной Америки и Индостана, а последний — от Австралии и Антарктиды. Наконец, Австралия отделяется от Антарктиды. Покрытосеменные растения осваивают значительные пространства суши. В животном мире господствуют пресмыкающиеся и земноводные, появляются птицы и примитивные млекопитающие. В конце периода погибают многие группы животных, в том числе динозавры.
Фаза 9 (130 млн — 600 тыс. лет назад). Крупным изменениям подвергается общая конфигурация материков и океанов, в частности, Евразия отделяется от Северной Америки, Антарктида отделяется от Южной Америки.
Распределение материков и океанов стало весьма близким к современному. В начале рассматриваемого периода климат на всей Земле теплый и влажный. Конец периода характеризуется резкими климатическими контрастами.
Вслед за оледенением Антарктиды происходит оледенение Арктики. Складываются фауна и флора, близкие к современным. Появляются первые предки современного человека.
Фаза 10 (современность). Между литосферой и земным ядром поднимаются и опускаются потоки магмы, сквозь щели в коре они прорываются наверх. Обломки океанической коры опускаются вплоть до самого ядра, а затем всплывают и, возможно, образуютновые острова.
Литосферные плиты сталкиваются друг с другом и находятся под постоянным воздействием потоков магмы. Там, где плиты расходятся, образуются новые сегменты литосферы.
Постоянно происходит процесс дифференциации земного вещества, который преобразует состояние всех геологических оболочек Земли, в том числе и ядра.
