Внутреннее строение Земли

           1. Введение

 Состав  и строение глубинных оболочек Земли  в последние десятилетия продолжают оставаться одной из наиболее интригующих  проблем современной геологии. Число  прямых данных о веществе глубинных  зон весьма ограниченно. В этом плане  особое место занимает минеральный агрегат из кимберлитовой трубки Лесото (Южная Африка), который рассматривается как представитель мантийных пород, залегающих на глубине ~250 км. Керн, поднятый из самой глубокой в мире скважины, пробуренной на Кольском полуострове и достигшей отметки 12262 м, существенно расширил научные представления о глубинных горизонтах земной коры - тонкой приповерхностной пленке  земного шара. Вместе с тем новейшие данные геофизики и экспериментов, связанных с исследованием структурных превращений минералов, уже сейчас позволяют смоделировать многие особенности строения, состава и процессов, происходящих в глубинах Земли, знание которых способствует решению таких ключевых проблем современного естествознания, как формирование и эволюция планеты, динамика земной коры и мантии, источники минеральных ресурсов, оценка риска захоронения опасных отходов на больших глубинах, энергетические ресурсы Земли и др.

 Планета Земля как одна из планет Солнечной  системы на первый взгляд ничем не примечательна. Это не самая большая, но и не самая малая из планет. Она не ближе других к солнцу, но и не обитает на периферии планетной системы. И всё же Земля обладает одной уникальной особенностью – на ней есть жизнь. Однако при взгляде на Землю из космоса это не заметно. Хорошо видны облака, плавающие в атмосфере. Сквозь просветы в них различимы материки. Большая же часть Земли покрыта океанами. 
Появление жизни, живого вещества – биосферы – на нашей планете явилось следствием её эволюции. В свою очередь биосфера оказала значительное влияние на весь дальнейший ход природных процессов. Так, не будь жизни на Земле, химический состав её атмосферы был бы совершенно иным. 
Несомненно, всестороннее изучение Земли имеет громадное значение для человечества, но знания о ней служат также своеобразной отправной точкой при изучении остальных планет земной группы. 

                             2. Как устроена Земля

 Как известно, наши предки обожествляли Землю, называли ее матерью («Мать Сыра Земля»), кормилицей. Но чтобы кормиться от плодов земных, необходимо возделывать почву – пахать, вскапывать, бороновать… И люди, начиная полевые работы, просили прощения у Земли-матушки – за то, что приходится наносить ей раны плугом или лопатой. Со временем человек стал все глубже проникать в земные недра – в поисках воды, руды, угля, нефти. Потом ученые заинтересовались – а что там, в земной глубине, ниже пластов угля и нефтяных бассейнов? И оказалось, что Земля-кормилица не просто огромный шар из камня, песка и глины. Планета Земля имеет очень сложное внутреннее строение. Настолько сложное, что и сейчас, в XXI веке, открыты далеко не все тайны земных глубин.

 Представим  себе земной шар… ну, не совсем шар. Точнее совсем не шар. Если подходить строго научно, то придется признать, что Земля имеет довольно сложную форму.

За два  с лишним столетия фигуре Земли присваивалось  несколько наименований – сфероид, трехосный эллипсоид… И только во второй половине XX века, после проведения измерений с помощью искусственных спутников, была установлена истинная форма Земли – геоид¹. Если подбирать сравнения, то ближе всего окажется форма груши. Буквально же слово «геоид» означает «землеподобный».

Но отклонения Земли настолько незначительны, что для географии, геологии и  ряда других наук удобнее считать нашу планету шарообразной. А поэтому представим себе все-таки Земной шар, но с большим надрезом. И тогда станет видно, что наша планета состоит из целого ряда слоев разной толщины. Внешний слой, или оболочка – это земная кора. Этот слой самый тонкий: на материках не более 70 км, а под океанами и того тоньше – до10 км. Земная кора сверху покрыта плодородным слоем, то есть почвой. 

Средний слой коры значительней, толще – до 40 км. Он состоит из гранита – красивого зернистого камня, из которого делают гладкие полы в общественных местах, массивные стены, большие скульптурные памятники. Нижний слой, толщиной до 30 км, сложен из другой каменной породы – базальта.

Все эти сведения не означают, что люди смогли спуститься до таких глубин и взять пробы. Даже самые глубокие шахты сегодня не проникают глубже 15 км. Изучение земных недр стало возможно благодаря науке сейсмологии, которая исследует природу землетрясений и пытается их предсказывать. Но ученые-сейсмологи с помощью своих приборов не только регистрируют волны от землетрясений, но заодно определяют глубину и состав слоев земной коры. 

                                3. Сейсмическая модель строения Земли

Широко  известная модель внутреннего строения Земли (деление ее на ядро, мантию и земную кору) разработана сейсмологами Г.Джеффрисом и Б.Гутенбергом еще в первой половине XX века. Решающим фактором при этом оказалось обнаружение резкого снижения скорости прохождения сейсмических волн внутри земного шара на глубине 2900 км при радиусе планеты 6371км. Скорость прохождения продольных сейсмических волн непосредственно над указанным рубежом равна 13,6 км/с, а под ним - 8,1 км/с. Это и есть граница мантии и ядра.

 Соответственно радиус ядра составляет 3471 км. Верхней границей мантии служит сейсмический раздел Мохоровичича, выделенный югославским сейсмологом А. Мохоровичичем (1857-1936) еще в 1909 году². Он отделяет земную кору от мантии. На этом рубеже скорости продольных волн, прошедших через земную кору, скачкообразно увеличиваются с 6,7-7,6 до 7,9-8,2 км/с, однако происходит это на разных глубинных уровнях. Под континентами глубина раздела М (то есть подошвы земной коры) составляет первые десятки километров, причем под некоторыми горными сооружениями (Памир, Анды) может достигать 60 км, тогда как под океанскими впадинами, включая и толщу  воды, глубина равна лишь 10-12 км. Вообще же земная кора в этой схеме вырисовывается как тонкая скорлупа, в то время как мантия распространяется в глубину на 45% земного радиуса.

 Но  в середине XX века в науку вошли  представления о более дробном  глубинном строении Земли. На основании  новых сейсмологических данных оказалось  возможным разделить ядро на внутреннее и внешнее, а мантию - на нижнюю и верхнюю (рис. 1). Эта модель, получившая широкое распространение, используется и в настоящее время. Начало ей положил австралийский сейсмолог К.Е. Буллен, предложивший в начале 40-х годов схему разделения Земли на зоны, которые обозначил буквами: А - земная кора, В - зона в интервале глубин 33-413 км, С - зона 413-984 км, D - зона 984-2898 км, Д - 2898-4982 км, F - 4982-5121 км, G - 5121-6371 км (центр Земли). Эти зоны отличаются сейсмическими характеристиками. Позднее зону D он разделил на зоны D' (984-2700 км) и D" (2700-2900 км). В настоящее время эта схема значительно видоизменена и лишь слой D" широко используется в литературе. Его главная характеристика - уменьшение градиентов сейсмических скоростей по сравнению с вышележащей областью мантии.  
 

                            Рис 1. Схема глубинного строения Земли

   Внутреннее ядро, имеющее радиус 1225 км, твердое и обладает большой плотностью - 12,5 г/см3. Внешнее ядро жидкое, его плотность 10 г/см3. На границе ядра и мантии отмечается резкий скачок не только в скорости продольных волн, но и в плотности. В мантии она снижается до 5,5 г/см3. Слой D", находящийся в непосредственном соприкосновении с внешним ядром, испытывает его влияние, поскольку температуры в ядре значительно превышают температуры мантии. Местами данный слой порождает огромные, направленные к поверхности Земли сквозь мантийные тепломассопотоки, называемые плюмами. Они могут проявляться на планете в виде крупных вулканических областей, как,  например, на Гавайских островах, в Исландии и других регионах.

 Верхняя граница слоя D" неопределенна; ее уровень от поверхности ядра может  варьировать от 200 до 500 км и более. Таким образом, можно заключить, что данный слой отражает неравномерное  и разноинтенсивное поступление энергии ядра в область мантии.

 Границей  нижней и верхней мантии в рассматриваемой  схеме служит сейсмический раздел, лежащий на глубине 670 км. Он имеет  глобальное распространение и обосновывается скачком сейсмических скоростей  в сторону их увеличения, а также возрастанием плотности вещества нижней мантии. Этот раздел является также и границей изменений минерального состава пород в мантии.

 Таким образом, нижняя мантия, заключенная между глубинами 670 и 2900 км, простирается по радиусу Земли на 2230 км. Верхняя мантия имеет хорошо фиксирующийся внутренний сейсмический раздел, проходящий на глубине 410 км. При переходе этой границы сверху вниз сейсмические скорости резко возрастают. Здесь, как и на нижней границе верхней мантии, происходят существенные минеральные преобразования.

 Верхнюю часть верхней мантии и земную кору слитно выделяют как литосферу, являющуюся верхней твердой оболочкой Земли. Благодаря теории тектоники литосферных плит термин "литосфера" получил широчайшее распространение. Теория предполагает движение плит по астеносфере - размягченном, частично, возможно, жидком глубинном слое пониженной вязкости. Однако сейсмология не показывает выдержанной в пространстве астеносферы. Для многих областей выявлены несколько астеносферных слоев, расположенных по вертикали, а также прерывистость их по горизонтали. Особенно определенно их чередование фиксируется в пределах континентов, где глубина залегания астеносферных слоев (линз) варьирует от 100 км до многих сотен.

 Под океанскими абиссальными впадинами астеносферный слой лежит на глубинах 70-80 км и менее. Соответственно нижняя граница литосферы фактически является неопределенной, а это создает большие трудности для теории кинематики литосферных плит, что и отмечается многими исследователями.

 Таковы основы представлений о строении Земли, сложившиеся к настоящему времени. Далее обратимся к новейшим данным в отношении глубинных сейсмических рубежей, представляющих важнейшую информацию о внутреннем строении планеты.

                  Схематическое строение Земли 

                        4.  Прозрачная одежда Земли

Так можно  назвать газовую оболочку нашей  родной планеты – атмосферу. Но при всей своей прозрачности земная атмосфера «работает» не как легкий газовый шарф, а как полноценная сибирская шуба. Без этой шубы на поверхности Земли сменяли бы друг друга космический холод и адская жара, измеряемые сотнями градусов Цельсия с плюсом и минусом. Атмосфера служит и надежным скафандром, защищая Землю от града метеоритов и космического мусора. Кислород воздуха необходим для дыхания людей и животных, а углекислый газ поглощается растениями. Плавающие в атмосфере облака поливают земную поверхность водой.

Толщина всей атмосферы Земли – около 100 км. Ее масса составляет 5 миллионов миллиардов тонн. Атмосферное давление у поверхности Земли равно 1 кг/см², а на высоте 100 км – в миллион раз ниже. В нижнем слое, тропосфере, содержатся также водяные пары³.

Земная  атмосфера имеет слоистое строение. Мы живем на самом дне воздушного океана, в слое, называемом тропосферой, который простирается до высоты в 15 км. В тропосфере постоянно происходит перемешивание теплых и холодных воздушных масс. Их движение воспринимается как ветер. Грозовые тучи, белые кучевые облака, легкие туманы над лугами и лесными полянами, дожди, бураны, град, снегопады – все это происходит в тропосфере.

Выше, на уровне 15 – 45 км, находится стратосфера. От следующего этажа – мезосферы – ее отделяет тонкий озоновый слой, который служит препятствием для жестких космических лучей. Озон – это так называемый «трехатомный кислород», газ с очень приятным запахом. Этот запах, мы ощущаем в воздухе после грозы или в помещении, где работает высокочастотная электрическая аппаратура. В последние десятилетия ученые стали обращать внимание на то, что в некоторых местах озоновый слой становится очень тонким. Такие места называют «озоновыми дырами». Они появляются и исчезают. Их происхождение до сих пор не выяснено.

Мезосфера занимает свой уровень – от 50 до 80 км. Если в стратосфере царит арктическая стужа, то здесь по мере увеличения высоты  температура повышается. На высоте более 80 км. начинается ионосфера – обширная область плазмы, то есть ионизованного газа. Плазма, пронизанная космическими излучениями, обладает высокой электропроводностью и напоминает свойствами газ, которым заполняются трубки ламп дневного света. Именно в ионосфере происходят явления поистине космической красоты и величия – полярные сияния. Ионосферу называют также термосферой.