Геосферы

Здесь мы пока нарушим историческую последовательность изложения и изобразим нашу планету такой, какой мы ее представляем сегодня.

Форма Земли сложилась в результате взаимодействия гравитационных и центробежных сил. Лишь в первом, самом грубом приближении можно говорить о земном шаре с поперечником около 13 тыс. км. Более точно Земля представляет собой эллипсоид вращения. В настоящее время от идеи трехосности Земли отказались, так как трехосный эллипсоид с осями а, Ь, с будет устойчивым телом только когда а значительно больше b и с, чего на самом деле нет. Представьте себе поверхность, нормали к которой в каждой ее точке совпадают с отвесными линиями. Такая поверхность называется уровенной. Уровенная поверхность, которая в открытом море совпадает с поверхностью свободной покоящейся воды, называется геоидом. Эта поверхность замкнута. На материках она выше поверхности воображаемого земного эллипсоида, в океанах — ниже. Разность уровней геоида и наиболее близкого к нему по форме и размерам эллипсоида, как правило, меньше 100 м. Геоид считается наилучшим приближением к найденной форме Земли.

В состав твердого тела Земли входят все элементы таблицы Менделеева. Однако в наибольшем количестве на нашей планете встречаются кислород, кремний и алюминий.

В результате длительной дифференциации вещества произошло расслоение тела планеты и образовались оболочки, «вложенные» концентрически друг в друга, — геосферы (рис. 6). Границы между ними в недрах Земли выявлены с помощью геофизических методов. Во время землетрясений ударные волны пронизывают недра земного шара и на границах геосфер частично меняют скорость своего прохождения, частично отражаются от поверхности раздела. На специальных сейсмических станциях сейсмографы улавливают эти волны, а исследователи, определяя по данным нескольких станций центр землетрясения, устанавливают, на какой глубине находятся поверхности раздела и через какие породы прошли ударные волны.

В настоящее время выделяются следующие оболочки Земли (рис. 7). В центре земного шара обособлено ядро, граница которого проходит на глубине 2 920 км от поверхности планеты. Ядро имеет сложное строение: выделяется внешнее ядро — между 2920 и 5000 км глубины, переходная зона (между 5000 и 5150 км) и внутреннее ядро, занимающее центральную часть Земли (его радиус 1250 км). Центральная часть ядра состоит из вещества плотностью около 17 г/см³, которое находится под давлением до 3,5 тыс. МПа при температуре в несколько тысяч градусов (разные подсчеты дают температуры от 3 до 8 тыс. градусов).

Переходный слой ядра характеризуется быстрым ростом скорости сейсмических волн, что вызвано, очевидно, переходом твердого состояния вещества в жидкое. Можно сказать, что переходный слой и центральное ядро реагирует на сейсмические волны как твердое тело с упругостью вдвое большей, чем упругость стали. Плотность внешнего слоя ядра значительно меньше, чем в центральной части, — от 9,4 до 11,5 г/см³, скорости сейсмических волн здесь по сравнению с вышележащими слоями резко уменьшаются, но появляется высокая электропроводность. Вообще же внешний слой ядра реагирует на сейсмические волны как жидкая среда и, очевидно, вещество здесь находится в расплавленном или во всяком случае в пластичном, текучем состоянии. Предполагается, что из-за этого во внешнем ядре существует конвективное перемещение веществ, что обусловливает наличие электротоков в ядре и магнитного поля Земли.

Ранее считалось, что ядро нашей планеты состоит преимущественно из железа, но исследования последних десятилетий выявили ряд трудностей в объяснении свойств ядра, некоторые геохимические и космогонические несообразности, если ядро действительно имеет такой состав. Поэтому от идеи железного ядра в настоящее время отказались. Ныне всем представлениям об эволюции Земли как планеты соответствует ядро, состоящее из смеси 70 % кремния и 30 % железа. Возможно, на ранних этапах развития Земли к этому составу примешивался еще калий, который впоследствии переместился в более высокие слои.

Ядро окутывается мантией, от которой его отделяет резкая, хорошо «прощупываемая» граница. Мантия имеет сложное строение. Между глубинами от 400 до 2900 км находится так называемая нижняя мантия, в которой на глубине около 1000 км выявляется неопределенная, как бы «размытая» промежуточная граница. Ниже этой границы вещество мантии однородно по составу, скорости сейсмических волн здесь растут незначительно. Сравнение механических свойств нижнего слоя мантии со свойствами образцов пород, исследованных в лаборатории, дает возможность предположить, что основными породообразующими соединениями здесь являются оксиды магния, кремния и железа. Слой мантии между глубинами 400—1000 км отличается резким возрастанием скорости сейсмических волн, но в нем отмечаются какие-то неоднородности. Ученые думают, что это связано либо с изменением химического состава земного вещества, либо с фазовыми переходами вещества из одного состояния в другое.

Детальные исследования позволили ученым выделить в мантии Земли еще один слой, который играет важную роль в тектонической и вулканической жизни нашей планеты. Этот слой имеет верхнюю границу на глубине 100–120 км под континентами и 50–60 км под океанами, нижняя же проходит соответственно на глубине от 250 до 400 км. Лабораторные эксперименты, проведенные в условиях, соответствующих температурам и давлениям на таких глубинах, показали, что вещество этого слоя может находиться в аморфном, близком к расплаву состоянии или, как считают некоторые исследователи, является смесью твердых и частично расплавленных пород. Возможно, что в их состав входят богатые железом и обогащенные магнием породы.

Как бы то ни было, но вплоть до нижней границы этого слоя проникают разломы вышележащей земной коры и здесь сосредоточены очаги подавляющего числа глубокофокусных землетрясений. По-видимому, вдоль трещинных зон снимается часть давления и «твердые расплавы» описываемого слоя переходят в жидкое состояние, поднимаются по трещинам, образуя лавовые очаги, питающие вулканы. С течением же пластичного вещества этого слоя, вероятно, связаны и напряжения вдоль разломов, приводящие к землетрясениям. Наконец, сторонники так называемых мобилистских гипотез (о них мы еще скажем далее), утверждающие, что либо отдельные блоки, либо целиком самая верхняя оболочка земного тела — литосфера (каменная сфера) — скользят по подстилающим породам, полагают, что как раз пластичные, полурасплавленные породы «ослабленного» слоя (его так и назвали — астеносфера, от греческого «астенос» — слабый, ослабленный) и делают возможными «горизонтальные» перемещения блоков литосферы.

Самый верхний, относительно тонкий слой мантии называют верхней мантией. Этот слой состоит из кристаллических пород. Данные последних лет позволяют предположить, что состав этого слоя неоднороден под океанами и континентами. Плотность вещества мантии в целом постепенно с глубиной растет от 3,3 г/см³ у ее верхней границы до 5,2 г/см³ у нижней. На границе мантии и ядра, где давление достигает приблизительно 1,3 тыс. МПа, плотность вещества Земли увеличивается до 9,4 г/см³.