Строение Земли. 
Естественнонаучная и гуманитарная культура

Создание модели внутреннего строения Земли — одно из самых больших достижений науки XX столетия. Конечно, создавались модели и раньше. Но они основывались на догадках и на сравнительно небольшом количестве достоверных фактов. Больше было предположений. Нельзя сказать, чтобы сегодня все в строении Земли было бы ученым ясно и понятно. Недра таят огромный запас загадок. Но в принципе, я думаю, можно сказать, что современная модель уже вряд ли когда-нибудь существенно изменится так, как менялись модели прошлых, например, веков.

Но как же удалось построить ее ученым? Может быть, люди прорыли шахту до центра земли и исследовали каждый метр глубины? Такую работу не то что проделать — представить себе невозможно. Нам бы еще многие годы пришлось гадать о строении недр, если бы к середине прошлого столетия не наметился новый подход к проблеме.

Ученые стали рассматривать Землю как физическое тело в целом. Стали изучать физические процессы, которые происходят в твердой, жидкой и газообразной оболочках Земли. Заинтересовались тем, как реагирует наша планета на притяжение Луны с Солнцем, как воздействует на Землю межпланетная среда.

Специалисты вплотную занялись изучением химического состава земной коры.

Окончательно сформировалась наука геофизика, отдельные разделы которой были заложены еще в прошлые столетия.

С момента возникновения Земли её строение и атмосфера постепенно менялись, или эволюционировали. Древнейшие породы дают геологам (специалистам, изучающим структуру земных недр и их формирование) ценнейшую информацию об изменениях поверхности и строения Земли.

Установлено, что масса Земли равна 5,98*10²⁷ г, объем — 1,083*10²⁷ см³, средний радиус — 6371 км, средняя плотность — 5,52 г/см³, среднее ускорение силы тяжести на земной поверхности достигает 981 Гал. Среднее расстояние от Солнца составляет приблизительно 150 млн. км. Скорость движения Земли по орбите равна 29,77 км/с. Полный оборот Земля совершает за 365,26 сут. Период вращения Земли вокруг своей оси равен 23 ч 56 мин. В результате этого вращения возникли небольшое экваториальное вздутие и полярное сжатие. Поэтому диаметр Земли в экваториальном сечении на 21,38 км длиннее диаметра, соединяющего полюса вращения (полярный радиус равен 6356,78 км, а экваториальный — 6378,16 км).

Фигура Земли описывается геоидом, который вне континентов совпадает с невозмущенной поверхностью Мирового океана.

Земля обладает собственным магнитным полем, которое идентично полю, создаваемому магнитным диполем.

Геофизическими исследованиями установлено, что Земля состоит из ядра, мантии и земной коры.

Земное ядро состоит из двух слоев — внешнего (жидкого) ядра и внутреннего (твердого). Радиус внутреннего твердого ядра (слой «О») примерно равен 1200−1250 км, толщина переходного слоя «Р» между внутренним и внешним ядрами приблизительно равна 140−150 км, а толщина внешнего жидкого ядра, которое начинается с глубины 2870−2920 км, равна примерно 3000 км. Плотность вещества во внешнем ядре монотонно меняется от 9,5−10,1 г/см³ на его поверхности до 11,4−12,3 г/см³ на подошве.

Во внутреннем ядре плотность вещества возрастает и в его центре достигает 13−14 г/см³. Масса земного ядра составляет 32% всей массы Земли, а его объем — около 16% объема всей Земли. Земное ядро примерно на 90% состоит из железа с добавками кислорода, серы, углерода, водорода и, возможно, кремнезема; внутреннее — из железо-никелевого сплава метеоритного состава.

Мантия — силикатная оболочка Земли, расположенная между подошвой земной коры и поверхностью ядра и составляющая 67,8% общей массы Земли.

По сейсмическим данным мантию делят на верхнюю (слой «В» до глубины 400 км), переходной слой Голицына (слой «С» от глубины 400 до 1000 км) и нижнюю (слой «Б» с подошвой примерно на глубине 2900 км). Под океанами в верхней мантии выделяют также слой с пониженной скоростью распространения сейсмических волн — волновод Гутенберга, обычно отождествляемый с астеносферой Земли. Считается, что мантийное вещество в этом слое находится частично в расплавленном состоянии. Под континентами ярко выраженная область пониженных скоростей в мантии, как правило, не прослеживается.

Важную границу раздела в верхней мантии представляет собой подошва литосферы — поверхность перехода от охлажденных пород литосферы к частично расплавленному мантийному веществу, перешедшему в пластическое состояние и составляющему астеносферу.

Земная кора отличается от нижележащих оболочек своим строением и химическим составом. Подошва земной коры очерчивается сейсмической границей Мохоровичича, на которой скорости распространения сейсмических волн резко возрастают и достигают 8−8,2 км/с.

Поверхность и примерно 25-километровая часть земной коры формируются под воздействием:

• 1) эндогенных процессов (тектонические или механические и магматические процессы), благодаря которым создается рельеф земной поверхности и формируются толщи магматических и метаморфических горных пород;
• 2) экзогенных процессов, вызывающих денудацию (разрушение) и выравнивание рельефа, выветривание и перенос обломков горных пород и переотложение их в пониженных частях рельефа. В результате протекания весьма разнообразных экзогенных процессов формируются осадочные горные породы, составляющие самый верхний слой земной коры.

Выделяют два основных типа земной коры: океанский (базальтовый) и континентальный (гранито-гнейсовый) с прерывистым осадочным слоем. Океанская кора по своему составу примитивна и представляет верхний слой дифференцированной мантии, сверху перекрытый тонким слоем пелагических осадков. В составе океанской коры выделяют три слоя.

Самый верхний слой — осадочный — представлен карбонатными осадками, отложившимися на небольших глубинах до уровня карбонатной компенсации (4−5,5 км). На больших глубинах отлагаются бескарбонатные глубоководные красные глины. Средняя мощность океанских осадков не превышает 500 м и только у подножия материковых склонов, особенно в районах крупных речных дельт, она возрастает до 12−15 км. Вызвано это своеобразной быстротечной «лавинной» седиментацией, когда практически весь терригенный материал, выносимый речными системами с континента, отлагается в прибрежных частях океанов, на материковом склоне и у его подножия.

Второй слой океанской коры в верхней части слагается подушечными лавами базальтов. Ниже располагаются долеритовые дайки того же состава. Общая мощность второго слоя океанской коры составляет 1,5 км и редко достигает 2 км. Под дайковым комплексом располагаются габбро, представляющие собой верхнюю часть третьего слоя, нижняя часть которого прослеживается на некотором удалении от осевой части срединно-океанских хребтов и слагается серпентинитами. Мощность габбро-серпентинитового слоя достигает 5 км. Таким образом, общая мощность океанской коры без осадочного чехла составляет 6,5−7 км. Под осевой частью срединно-океанских хребтов мощность океанской коры сокращается до 3−4, а иногда и до 2−2,5 км.

Под осадочным слоем находятся толщи с преобладанием в них пород гранитоидного ряда. Местами в областях расположения древних щитов они выходят на земную поверхность (Канадский, Балтийский, Алданский, Бразильский, Африканский и др.). Породы «гранитного» слоя обычно преобразованы процессами регионального метаморфизма.

Под «гранитным» слоем располагается «базальтовый» слой, сходный по составу с породами океанской коры. Как континентальная, так и океанская кора подстилаются породами верхней мантии, от которой они отделяются границей Мохоровичича.

Земная кора состоит из силикатов и алюмосиликатов. В ней преобладают кислород (43,13%), кремний (26%) и алюминий (7,45%), представленные главным образом в форме оксидов, силикатов и алюмосиликатов.

Литосферой называют каменную оболочку Земли, все компоненты которой находятся в твердом кристаллическом состоянии. Она включает земную кору, подкоровую верхнюю мантию и подстилается астеносферой. В последней вещество находится в пластичном состоянии и вследствие высоких температур частично расплавлено. Ее вещество в отличие от литосферы не обладает пределом прочности и может деформироваться под действием даже очень малых избыточных давлений.

Предполагают, что литосферные плиты образуются за счет остывания и полной кристаллизации частично расплавленного вещества астеносферы. Нижняя граница литосферы совпадает с изотермой постоянной температуры, соответствующей началу плавления перидотита и равной приблизительно 1300 °C. Переменная мощность литосферы объясняется вариацией геотермического режима литосферы и мантии в различных участках земного шара.

В связи с пластичностью астеносфера слабо сопротивляется сдвиговым напряжениям и допускает движения литосферных плит относительно нижней мантии. Подошва астеносферы находится на глубине 640 км и совпадает с местоположением очагов глубокофокусных землетрясений.

В океанах толщина литосферы варьирует от нескольких километров под рифтовыми долинами срединно-океанских хребтов до 100 км на периферии океанов. Под древними щитами толщина литосферы достигает 300 — 350 км. Наиболее резкие изменения в толщине литосферы наблюдаются вблизи осевой части срединно-океанских хребтов и у границ континент — океан, где соприкасается континентальная и океанская кора литосферы.

В земных недрах В недрах Земли — несколько типов горных пород. Метод, с помощью которого ученые их исследуют, напоминает изучение ударных волн во время землетрясений. Внутреннее ядро Земли — твердое. Оно состоит из железа и никеля. Его температура достигает 5000 градусов Цельсия. Внешнее ядро состоит из расплавленных металлов.

При вращении Земли это ядро очень медленно вращается вместе с ней, создавая особое магнитное поле. Мантия — это слой земных пород, расположенный между ядром и корой. В некоторых зонах мантия имеет столь высокую температуру, что твердые породы, составляющие её, начинают плавиться, образуя так называемую магму.

Континентальные плиты Земная кора состоит из нескольких огромных частей, или плит, очень медленно движущихся относительно друг друга. Если они расходятся, на поверхность выходит магма и, остывая, образует новые породы. Когда они сжимаются, то либо сталкиваются, либо наползают друг на друга. Плиты могут двигаться и одна по другой.

Движение континентов

Взглянув на карту Земли, вы можете заметить, что очертания континентов совпадают друг с другом, словно фрагменты составной шарады-загадки. Некоторые ученные полагают, что все континенты некогда (около 200 миллионов лет назад) представляли собой единое целое, образуя единый суперконтинент — Пангею. Считается, что затем материковые плиты начали расползаться, это и привело к появлению материков (см. статью «Движение материков»). Свидетельство существования Пангеи являются ископаемые окаменелости — остатки древнейших растений и животных, дошедших до нас в горных породах (см. статью «Древнейшие формы жизни»). Окаменелости одних и тех же животных были найдены на разных континентах, удаленных друг от друга на многие тысячи километров. Например, окаменелые останки листозавра, древней растительноядной рептилии, были обнаружены в Южной Африке, Азии и Антарктиде. Это доказывает, что все континенты представляли собой в древности единое целое. Некоторые ученые не признают существование Пангеи. Они утверждают, что животные могли перебираться с материка на материк по узким полоскам суши, некогда соединявшим континенты. Другие полагают, что эти животные могли попасть на стволах гигантских древних деревьев.