Строение дна океанов

Внутреннее строение Земли

В настоящее время в геологии используется обширный арсенал методов изучения внутреннего строения нашей планеты. Среди этих методов необходимо отметить: бурение глубоких и сверхглубоких скважин; изучение скорости распространения упругих волн в Земле, возникших в результате землетрясений или мощных взрывов; измерение естественных физических полей Земли - гравитационного, магнитного, электрического и других. Характерно, что практически все эти методы, разработанные для работ на суше, теперь успешно применяются и для морских геологических исследований.

Естественно, что разные методы обладают различной глубиной исследования, детальностью, достоверностью и интерпретацией полученных результатов. Буровыми скважинами пока вскрыто не более 900 м океанического дна (для сравнения можно отметить, что глубочайшей на суше Кольской сверхглубокой скважиной в нашей стране пройден рубеж 12 км!). Интерпретация физических полей Земли пока не получила однозначного геологического толкования, и только сейсмологический метод, изучающий распространение упругих волн, является в этом смысле наиболее эффективным. Действительно, упругие сейсмические волны, возникающие при землетрясениях, способны в течение 21-22 мин пересечь весь земной шар. Результаты такого волнового "просвечивания" и позволили составить представление о внутреннем строении планеты.

Рис. 28. Геосферы Земли и их физическая характеристика

В строении Земли принимают участие три оболочки, или геосферы, - земная кора, мантия и ядро (рис. 28). Средний радиус Земли - 6371 км.

Внешняя оболочка Земли, называемая земной корой, слагает океаническое дно и континенты; по геофизической номенклатуре кора считается слоем А. Мощность коры непостоянна и изменяется от 5-7 км под океаническими впадинами до 70-80 км под континентальными складчатыми сооружениями, образуя здесь так называемые "корни гор". Земная кора сложена магматическими, метаморфическими и осадочными породами плотностью 2,2-2,8 ^г/_см³ - это минимальное значение для геосфер Земли (для сравнения можно отметить, что средняя планетарная плотность Земли равна 5,517 ^г/_см³). И по толщине, и по объему, и по массе земная кора представляет собой самую тонкую геосферу - ее масса составляет всего 0,8% массы планеты, а по толщине - 0,5%, т. е. она сходна с кожицей на крупном яблоке.

Скорость распространения упругих волн в земной коре колеблется в широких пределах - от 2 до 7,5 ^км/_с, однако в целом отмечают тенденцию к росту скорости упругих волн (как и плотности пород) с глубиной. В этом же направлении выявлено неуклонное повышение температуры примерно на 3°С на 100 м. Таким образом, если температура на поверхности коры соответствует среднегодовому значению около 15°С, то в подошве коры она уже приближается к 1000°С. Горное давление здесь также достаточно велико и составляет примерно 1000 МПа.

Земная кора отделяется от нижележащей геосферы - мантии поверхностью Мохоровичича, названной так в честь открывшего ее югославского ученого. В составе мантии выделяют четыре самостоятельные оболочки - верхнюю мантию (слой В по геофизической номенклатуре), среднюю мантию (слой С), нижнюю мантию (слой D) и переходную оболочку (слой D').

Среди оболочек мантии наиболее изучен слой В, или слой Гутенберга, названный по фамилии известного американского геофизика. По скорости распространения упругих волн (8,0-9,0 ^км/_с) и плотности пород (3,3-3,6 ^г/_см³) сделан вывод о том, что верхняя мантия сложена ультраосновными породами - перидотитами; характеризуется нарастанием температуры примерно от 1000 до 2400°С, но градиент нарастания ее ниже, чем в коре, и составляет здесь 0,37°С на 100 м. Расчетное значение давления в подошве слоя В на глубине около 410 км составляет 13 тыс. МПа.

Наиболее характерной особенностью слоя Гутенберга является то, что часть его находится в своеобразном, полурасплавленном состоянии, при котором каркас тугоплавких минералов пропитан расплавом более легкоплавких алюмосиликатов. Здесь наблюдается снижение скорости распространения упругих волн до 7,9 ^км/_с, но, главное, здесь проявляются свойства чрезвычайно вязкой жидкости. Прочность такого вещества понижается, поэтому эту часть слоя Гутенберга называют астеносферой ("ослабленным" слоем). Мощность астеносферы непостоянна; она залегает на глубинах 120-250 км под континентами и 60-400 км под океаническим дном, а в рифтовых долинах астеносфера непосредственно приближается к поверхности дна. Лежащие на астеносфере твердые слои коры и часть верхней мантии образуют литосферу, которая разбита на отдельные пластины протяженностью многие тысячи километров; такие пластины называются литосферными плитами.

По современным представлениям, астеносфера является наиболее динамичным и активным в тектоническом отношении слоем мантии, с ней связаны очаги всех вулканических извержений. Вязкие свойства астеносферы обеспечивают выравнивание геостатических нагрузок вышележащих твердых слоев. Практически можно считать, что литосферные плиты плавают на астеносфере, подчиняясь закону Архимеда, подобно айсбергам, - так можно объяснить глубокое проседание в астеносферу толстых континентальных литосферных плит и относительно высокое положение тонких пластин океанической литосферы.

Под слоем В, в интервале 410-1000 км, залегает средняя мантия, или слой С. Этот слой называют слоем Голицына в честь выдающегося русского сейсмолога. Здесь продолжается нарастание плотности (от 3,6 до 4,5 ^г/_см³), температуры (до 3000°С с градиентом около 0,1°С/100 м) и давления (до 35 тыс. МПа). Характерной особенностью слоя Голицына является исключительно крутое нарастание скорости распространения упругих волн с глубиной - от 9,0 до 11,5 ^км/_с. По-видимому, это связано с перестройкой кристаллических решеток различных минералов под действием высокого давления; при более компактной "упаковке" атомов и ионов достигается увеличение плотности на 10% при сохранении химического состава.

Глубже, примерно до глубины 2700 км, залегает слой D, или нижняя мантия. Здесь продолжается нарастание температуры (до 4300°С с градиентом около 0,07°С/100 м), давления (до 135 тыс. МПа), плотности (от 4,5 до 5,5 ^г/_см³) и скорости распространения упругих волн (до 13,5 ^км/_с). Это максимальное для планеты значение скорости упругих волн; ниже, в переходном слое D' (2700-2920 км), уже отмечается некоторое его снижение.

В целом мантия Земли занимает гигантский объем около 900 млрд. км³, что составляет почти 83% планетарного объема. По массе доля мантии несколько меньше и составляет 67% массы Земли.

Третья, наименее изученная геосфера Земли - ее ядро. Оно расположено в интервале от 2920 до 6371 км. По сейсмологическим данным, ядро состоит в основном из тяжелых металлов - железа, никеля и их окислов. Поэтому плотность ядра значительно выше плотности мантии и составляет 10-12,5 ^г/_см³. Температура в ядре возрастает до 6300°С, а давление - до 360 тыс. МПа.

В таких условиях внешняя часть ядра, или слой Е, до глубины примерно 4980 км находится в жидком состоянии. Глубже залегает переходный слой F толщиной около 140 км, т. е. до глубины 5120 км, и в центре планеты расположено твердое внутреннее ядро G радиусом 1251 км.

В целом ядро Земли составляет примерно 16% объема планеты и около 32% ее массы.