в разрезе Земли

Рис.2.1. Размер Земли Рис.2.2. Форма Земли

Геологические методы позволяют непосредственно изучать только внешнюю оболочку Земли - земную кору. К их числу относится изучение обнажений горных пород, слагающих разрезы разного возраста от современного до глубокого декембрия. Обширная информация получена в ходе бурения скважин и проходки горных выработок. Забой Кольской сверхглубокой скважины достиг глубины 12610 м. Самые глубокие шахты, пройденные в Южно-Африканской республике и Индии, позволяют судить о строении земной коры на глубине 3 км. Огромная информация о верхних, преимущественно осадочных, слоях получена в ходе бурения глубоких (6-8 км) нефтяных скважин. О строении более глубоких частей разреза Земли можно судить по составу ксенолитов-отторженцев боковых пород, захваченных поднимающейся к поверхности магмой. Изучение таких включений дает информацию о составе исходных пород на больших глубинах. Так, кимберлиты содержат ксенолиты мантийных пород с глубины 150-180 км. Таким образом, информация о глубинном строении Земли весьма ограничена.

В настоящее время не существует технических средств, позволяю­щих проникать в недра Земли на сотни и тысячи километров и извле­кать оттуда образцы вещества для непосредственного изучения. Поэто­му глубинное строение нашей планеты исследуется косвенными методами, основанными на анализе космологических и геофизических данных, то есть на результатах изучения космических тел (в первую очередь метеоритов и Луны) или физических полей Земли соответ­ственно, а также на основе моделирования.

Основную информацию о внутреннем строении Земли дают геофи­зические методы: сейсмические, основанные на регистрации упругих колебаний,
вызванных землетрясениями или искусственными взрывами;

гравиметрические, основанные на изучении поля силы тяжести;

магнитометрические — изучающие магнитное поле Земли;

геотермические, изучающие тепловое поле планеты и плотность
теплового потока на ее поверхности;

электрометрические методы, изучающие электропроводность зем­
ных недр.

Изучение мантийных глубин вплоть до ядра стало возможным благодаря разработке нового направления в геофизике - глубинной сейсмотомографии. Суть метода заключается в компьютерном анализе прохождения сейсмических волн, генерируемых многими тысячами землетрясений. Метод позволяет судить не только о вертикальной неоднородности (расслоенности) Земли, более обоснованно выделять глубинные слои и их границы, но и выяснять латеральные неоднородности в каждом из слоев. Объемная картина прохождения сейсмических волн позволила установить главные особенности внутреннего строения Земли.

Слоистое строение Земли сомнений не вызывает. Выясненные значения массы Земли – 5,98.1027 г. и ее объема - 1.083.1027 см3 позволяют надежно установить среднюю плотность вещества планеты - 5.52 г/см3. Поскольку плотность доступных для изучения пород верхней части разреза составляет 2.5-2.9 г/см3, то становится ясным, что с увеличением глубины плотность вещества должна возрастать, и в глубоких недрах превышать 5.52 г/см3. Таким образом, делается вывод о том, что Земля оказывается расслоенной по плотности. Конкретное распределение плотности с глубиной устанавливается преимущественно геофизическими методами по изменению скоростей распространения сейсмических волн. Изменения скоростей происхождения различных (продольных - Vp и поперечных - Vs), зависящих от упругости, плотности и температуры горных масс, свидетельствуют о неоднородности и расслоенности.Земли. Это дает основание выделять в ее разрезе ряд оболочек.

.Продольные волны Р представляют волны сжатия и разрежения среды, следующие попеременно одна за другой со ско­ростью (в твердых породах) порядка нескольких километров в секунду. Продольные волны служат реакцией среды на изменение объема и расп­ространяются как в твердых, так и в жидких и газообразных средах.Частицы вещества при этом колеб­лются в направлении движения волн, т. е. во все стороны от источ­ника колебаний. Примером таких колебаний может служить звук.

Поперечные волны S являются результатом реакции среды на изменение формы. Следовательно, они не могут распространяться в жидкой и газо­образной среде, поскольку жидкие и газообразные вещества не сопро­тивляются изменению формы.Частицы вещества при этом колеблются по преимуществу в направлении,

перпендикулярном к на­правлению движения волн. Скорость Vp больше скорости Vs приблизительно в1.7раза.

Рис.2.3.Виды сейсмических волн

Рис.2.4.Отраженные и преломленные сейсмические волны

в разрезе Земли

Продольные волны характеризуются упругим объемным типом пе­редачи возмущения, при котором перемещение частиц среды соответ­ствует направлению распространения волны. Поперечные волны обла­дают сдвиговым упругим механизмом передачи возмущения, обеспечивающим распространение волны в направлении, перпендику­лярном к перемещению частиц. Продольные волны имеют большую скорость, чем поперечные. При этом последние не распространяются в жидкой среде, где упругое сопротивление сдвигу отсутствует.

В целом сейсмические волны подчиняются законам оптики — на границах раздела сред с различными скоростями распространения уп­ругие волны отражаются и преломляются. В результате наряду с пря­мыми волнами регистрируются отраженные и преломленные волны. Отражение и преломление волн на границах раздела являются доволь­но надежным источником информации о положении этих границ и широко используются для изучения внутреннего строения Земли. По­вторная регистрация волн, которые ранее были зарегистрированы как прямые, свидетельствует о наличии четких границ раздела в недрах Земли и позволяет, используя время движения и скорость распростра­нения волн, установить глубину их залегания.

Существующий объем информации о глубинном строении Земли позволяет сегодня обсуждать несколько моделей. До последнего време­ни широко применялась модель К.Е.Буллена, которая основана на усредненном и нормальном распределе­нии с глубиной физических параметров, в числе которых и скорости сейсмических волн. При этом самым важным источником данных о внутреннем строении Земли являются именно землетрясения, порож­дающие сейсмические волны.Появилась возможность определять простанственное размещение в недрах участков, характеризующихся повышенными или пониженны­ми значениями скоростей сейсмических волн, которым соответствуют участки уплотнения или разуплотнения вещества, его охлаждения или разогрева, были получены объемные картины таких неоднородностей.

По сейсмологическим данным, в Земле сегодня выделяют около двух десятков границ раздела, в целом свидетельствующих о концентрически расслоенном строении ее недр. Основными из этих границ являются две: поверхность Мохоровичича (Мохо или просто М) на глубине 30-70 км на континентах и 5-10 км под дном океанов, а также поверх­ность Вихерта — Гутенберга на глубине 2900 км. Эти границы делят нашу планету на три основные оболочки или геосферы:

земную кору — внешнюю каменную оболочку Земли, располо­
женную над поверхностью Мохоровичича;

мантию Земли — промежуточную силикатную оболочку, огра­
ниченную поверхностями Мохоровичича (вверху) и Вихерта —
Гутенберга (внизу);

ядро Земли — центральное тело нашей планеты, расположенное
ниже поверхности Вихерта — Гутенберга.

Современные данные о плотности вещества и скоростях распространения сейсмических волн, в сочета­нии с результатами изучения состава метеоритов и экспериментальны­ми исследованиями структурных превращений минералов, позволяют смоделировать вещественный состав и температурные условия глубин­ных геосфер Земли. Впервые модель концентрически расслоенного внутреннего строе­ния Земли с выделением ядра, мантии и земной коры была разработа­на сейсмологами Г. Джеффрисом и Б. Гутенбергом в первой половине XX в. Основанием для этого послужили скачкообразные изменения скоростей прохождения сейсмических волн внутри земного шара на границах Мохоровичича и Вихерта — Гутенберга. Новые данные, полу­ченные в середине XX в., позволили разделить ядро на внутреннее и внешнее1 а мантию на нижнюю и верхнюю.

В настоящее время используется уточненная схема концентрически зонального строения Земли (рис.).До недавнего времени наиболее обоснованной геолого-геофизической моделью строения Земли являлась схема К.Е.Буллена (1963,1975), базирующаяся на сейсмических и плотностных показателях. Согласно его представлениям, Земля имеет слоистое строение, каждый из слоев получил буквенное обозначение (рис.2.3). В их числе земная кора (зона А – в среднем до глубины 33 км), мантия (В – зона в пределах 33-413 км, С – 413-984 км, D – 984-2898 км) и ядро (Е – 2898-4982 км, F – 4982-5121 км и G – 5121-6371 км). Позднее К.Е.Буллен разделил зону D на D1 (084-2700 км) и D11 (2700-2900 км) (рис.2.3). В наши дни предпочте­ние отдается уточненной модели PREM (Preliminary Reference Earth.

В настоящее время благодаря успехам глубинной сейсмотомографии, магнитотеллурическому зондированию, спутниковым гравитационным наблюдениям, экспериментам по изучению петрофизических свойств пород в условиях высоких давлений и температур предложены более совершенные схемы стратификации разреза Земли. К числу важнейших глобальных геофизических границ относятся поверхность Мохоровичича и разделы, лежащие на глубине 410, 670, 2900 и 5146 км. Предложено расчленение мантии на нижнюю, среднюю и верхнюю, разделенных переходными зонами. При этом особо важное значение приобрело понятие о литосфере, астеносфере и переходных слоях между верхней и средней мантией (670-840 км), между мантией и ядром «D11» - (2700-2900 км). Во внешнем ядре выделяются нижняя нестратифицированная и верхняя – стратифицированная геосферы.

Рис.2.6. Традиционная схема глубинного строения Земли по К.Е.Буллену

Рис.2.7.Изменение скоростей сейсмических волн подчеркивает основные границы в разрезе Земли

Рис.2.8.Два варианта строения разреза Земли (модель PREM слева и модель Ю.М.Пущаровского справа)

Земная кора - верхняя оболочка Земли имеет различную мощность: 5-12 км под океанами, 30-40 км под равнинными (платформенными) территориями континентов и достигает 50-80 км под высокогорными сооружениями. В ее пределах наблюдается возрастание скоростей сейсмических волн продольных в среднем от 6,5-7,0 до 7,4 км/сек, а поперечных волн - около 3,7-3,8 км/сек, что указывает на существенные изменения упругих свойств пород земной коры.Резкое возрастание скорости продольных волн до 7,9-8,0, иногда 8,2-8,3 км/сек, поперечных до 4,5-4,7 км/сек регистрирует подошву земной коры. Эта поверхность М, названная в честь открывшего ее геофизика А.Мохоровичича, является важнейшим геофизическим разделом в основании коры, которая по отношению к общему объему планеты (средний радиус равен 6371 км) представляет собой тонкую «скорлупу». Состав, строение и мощность коры континентов и океанов различны, что дало основание для выде­ления ее главных типов: континентального, океанического и двух пере­ходных.

Мантия Земли является самой крупной геосферой — она составля­ет 83 % объема планеты и около 66 % ее массы. Мантия Земли распространяется до глубины 2900 км и так же, расслоенная. Существует два варианта ее разделения. Традиционное – на верхнюю (до глубины 660-670 км) и нижнюю (до 2900 км). Согласно второму варианту, нижняя мантия делится на две части, соответственно на среднюю до глубины 1600-1700 км и нижнюю до 2900 км. Предполагается, что в граничном интервале между нижней и средней мантией происходит изменение не только минерального, но и химического состава вещества. Трехчленное строение мантии по сейсмотомографическим данным подтверждается, также ее геоэлектрическими и плотностными показателями (рис.2.6,2.7).

Верхняя мантия имеет сложное строение. Она имеет хорошо фиксирующийся внутренний сейс­мический раздел, проходящий на глубине 410 км и разделяющий ее на два слоя. Верхний, залегающий от поверхности Мохо до глубины 410 км, называется слоем Гутенберга (слой В). Он характеризуется замедлением темпа нарастания скорости прохождения сейсмических волн с глубиной, а в нижней части слоя отмечается даже ее снижение на величину около 3 %, что объясняется размягченным, частично (до нескольких процентов) расплавленным состоянием вещества мантии. Эта часть слоя Гутенберга получила название астеносфера (слабая оболочка).

Подкоровая часть мантии, отделенная поверхностью Мохоровичича, характеризуется высокими сейсмическими скоростями (более 8,1-8,2 км/сек), указывающими на кристаллическое (твердое) состояние слагающих его пород. В литературе она получила название «истощенная или деплетированная» мантия. Подошва слоя располагается на различной глубине: под континентами от 80-120 км до 200-250 км, под океанами от 50-70 реже глубже км. Под тектонически активными регионами - срединно-океаническими и рифтовыми хребтами подошва слоя может быть приподнята до глубины 20-25 км. Наоборот, под стабильными участками древних платформ она опущена и прослеживается с трудом. Этот верхний слой твердой мантии вместе с земной корой называется литосферой - каменной оболочкой Земли, которая делится на крупные блоки - литосферные плиты, покоющиеся на подстилающем ее слое относительно менее плотных, квазипластичных, способных течь горных масс. Они получили название астеносфера.

Астеносфера. Главной особенностью астеносферного слоя являются понижение скоростей сейсмических волн, особенно поперечных, и повышение электропроводимости пород. Это свидетельствует о своеобразном состоянии вещества, менее вязким, более пластичным по отношению к вышележащим и нижележащим слоям. Понижение скоростей волн и повышение электропроводимости пород обусловлены частичным плавлением вещества мантии (1-10%) в связи с более быстрым повышением температуры с глубиной, чем повышение давления. Вязкость астеносферного слоя меняется в разных его горизонтах и по латерали; меняется его мощность. Подошва астеносферы располагается на глубинах не более 400 км. Под кратонами древних платформ астеносфера выражена не так контрастно, что обусловлено понижением вязкости и повышением упругости пород. По существу, литосфера является своеобразной геосферой, отделен­ной от остальной мантии активным поясом астеносферы. Литосфера и астеносфера составляют тектоносферу — главную область проявления тектонических процессов Земли

Литосфера и астеносфера — понятия чисто физические, вернее рео­логические. Они различаются по вязкости — жесткая и хрупкая лито­сфера и более пластичная, подвижная астеносфера.

.Ниже до глубины 660-670 км отмечается резкое возрастание скоростей сейсмических волн до 11,3-11,4 км/сек, что объясняется увеличением плотности и упругих свойств пород на 10% в связи с полиморфизмом минералов, их переходом в новые минеральные виды с более плотной упаковкой атомов при сохранении их валового химического состава (оливин-шпинель, пироксен-гранат).

Подошва переходного слоя (раздел I по Ю.М.Пущаровскому) по разным оценкам может быть опущена до глубины 840-900 км.

Средняя мантия выделяется не всеми.Она по данным сейсмотомографии, отличается однородностью внутреннего строения и характеризуется дальнейшим увеличением скорости продольных и поперечных волн с глубиной. Полагают, что равномерное нарастание ско­рости волн с глубиной обусловлено в основном ростом давления и свидетельствует об относительно однородном строении нижней ман­тии. Эти ее свойства прослеживаются до глубины 1700 км. Ниже в пределах 1700-2000 км обособляется переходный слой (раздел II, по Ю.М.Пущаровскому), отличающийся более контрастной пестрой валовой картиной и более пестрым распространением гравитационных масс. Предполагается, что на этом уровне изменялись не только минералогический, но и химический состав вещества мантии.

Нижняя мантия распространяется до глубины 2900 км и характеризуется равномерным нарастанием скоростей до 13,6 км/сек. В подошве расположен главный геофизический раздел в разрезе Земли. Здесь в интервале 2700-2900 км в переходной оболочке (Д11) резкое падение скорости продольных волн от 13,6 км/сек до 8,1 км/сек, а поперечные сейсмические волны гаснут и не проникают в ядро Земли. Такие резкие изменения физических свойств указывают на изменение химического состава вещества – магнезиально-силикатной мантии и железо-никелевого ядра. Гашение поперечных волн свидетельствуют о «жидком» состоянии внешней его оболочки

Слой Д11 занимает особое положение в разрезе нижней мантии. Именно в его пределах происходят сложные процессы дифференциации вещества Земли. Благодаря неравномерному и разноинтенсивному потоку энергии из ядра кровля и подошва слоя испытывают существенные колебания, В основании слоя Д11 происходит полное гашение поперечных волн. Предполагается, что на этом уровне вещество приобретает свойства жидкости.

Слой D", находящийся в непосредственном соприкосновении с вне­шним ядром, испытывает его влияние, поскольку температура в ядре значительно превышает температуру мантии. Предполагается, что этот слой может порождать огромные, направленные к поверхности Земли сквозьмантийные тепломассопотоки, называемые плюмами.

Ядро Земли занимает около 17 % ее объема и составляет 34 % массы планеты. Такое соотношение долей объема и массы объясняется резки­ми различиями физических параметров ядра и мантии. Ядросостоит из внешней оболочки до глубины 5146 км и внутреннего ядра до 6371 км.

По данным сейсмотомографии, поверхность ядра является неровной и образует выступы и впадины с амплитудой до 5-6 км1. В строении ядра выделяют три элемента: внешнее ядро (слой Е), внутреннее ядро (слой G) и переходную оболочку (слой F).

Внешнее ядро мощностью порядка 2080 км не пропускает попереч­ные сейсмические волны, что свидетельствует об отсутствии здесь уп­ругого сопротивления сдвигу, то есть слагающее его вещество ведет себя как жидкость.

Поведение сейсмических волн внутри ядра указывает на его расслоенность. Во внешнем ядре скорость продольных волн постепенно возрастает от 8,1 км/сек до 10,4-10,5 км/сек. На глубине 4980-5120 км в переходной оболочке (слой F) она скачкообразно падает до 9,5-10,0 км/сек. Глубже, во внутреннем ядре (слой), вновь увеличивается до 11,2-11,3 км/сек. Важно отметить, что поперечные сейсмические волны в ядро Земли не проникают. Методами сейсмотомографии обнаружены неровности поверхности ядра с амплитудой от условного уровня до +6 км на поднятиях и - 4 км в понижениях.

Прохождение сейсмических волн, как поперечных, так и продольных, вплоть до ядра Земли однозначно свидетельствует, что средняя и нижняя мантия находятся в твердом состоянии. В то же время, внешнее ядро, через которое не проникают поперечные волны, не обладает прочностью на сдвиг в отличие от твердого тела. Отсюда делается вывод о жидком состоянии ее вещества, что допускает возможность его движения во внешнем ядре, возникновения различных течений внутри него. За счет движения наэлектризованного вещества, подобно работе динамо-машины, индуцируется магнитное поле Земли. Теория «динамо» объясняет не только возникновение магнитного поля, но и его эволюцию в истории Земли. Палеомагнитными методами восстанавливается история смены во времени полярности и напряженности магнитного поля Земли.

Предполагается, что обмен веществом и энергией осуществляется не только между мантией и ядром, но и между геосферами внутреннего и внешнего ядра.

В настоящее время большинство геофизиков и геохимиков полага­ют, что внешнее ядро состоит из расплава Fe2O или расплавленного железа с примесью Ni и легких элементов, таких как Si, О, S и Н, понижающих его плотность и температуру плавления. Предполагается, что конвекция во внешнем ядре генерирует главное магнитное поле Земли.

Внутреннее ядро, имеющее радиус 1250 км, обладает большой плот­ностью — 12,1-13,4 г/см3. Состав внутреннего ядра считается железо-никелевым (Fe0,9Ni0,1), возможно, с некоторой примесью серы или кис­лорода. Давление здесь достигает 360 ГПа, а температура оценивается в 6500-6800 °С. Переходный слой (в наши дни выделяемый с некоторым сомнением) между внешним и внутренним ядром, вероятнее всего, из сернистого железа — троилита (FeS).

Переходный слой F — сравнительно тонкая оболочка между вне­шним и внутренним ядром, имеет мощность около 140 км. В одних работах предполагается, что этот слой состоит из сернистого железа FeS, в других его существование ставится под сомнение вообще.

Новейшие исследования (Институт физики высоких давлений РАН) свидетельствуют о том, что для внешнего ядра характерно высоковязкое состояние с ламинарной (а не турбулентной, как считалось ранее) цир­куляцией. Внутреннее же ядро находится не в кристаллическом, а в стеклообразном состоянии. Железо в нем структурируется в твердое со­стояние не с помощью кристаллической решетки, а в виде застывшего высоковязкого расплава. Расплав стеклуется или переходит в состояние стекла. Скорее всего, ядро Земли представляет собой высокоупругое тело с плавно нарастающей вязкостью вплоть до стекольных значений.В соответствии с расчетами Института динамики геосфер РАН внутреннее ядро вращается относительно Земли в целом со скорос­тью 1,8-2,1 град/год.

Таким образом, современные представления о внутреннем строении Земли базируется на ее слоистой, геолого-геофизической модели. Физическое состояние геосфер особенно наглядно отражает изменение плотности и степень прогретости мантии.

Рис.2.9.Изменение температуры (по A.Navrotsky) и плотности (по M.S.T.Bukowinski) в разрезе Земли

Таким образом, важнейшей особенностью строения разреза Земли является обособление литосферы, астеносферы, нижней части верхней, средней и нижней мантии, внешнего и внутреннего ядра. При этом выявляется особая роль астеносферы и слоя Д11- переходной между ядром и мантией оболочки, где возможно разделение вещества мантии по плотности в гравитационном поле Земли. Помимо этих главных уровней в процессах дифференциации принимают участие переходные слои как внутри мантии, так и на границе между внешним и внутренним ядром. Благодаря открытию различных неоднородностей в Земле, прежде всего волноводов - зон разуплотнения и плавления, как и уплотнения, перед исследователями открылись новые возможности для объяснения процессов возникновения и дифференциации магм, геодинамики литосферных плит и многое другое.

Поиск по сайту: