Общие сведения о строении Земли, верхней мантии и земной коры

Основным предметом изучения в геомеханике является массив горных пород и механические процессы, происходящие в нем. При этом состояние массивов определяется тремя составляющими:

• структурными особенностями;

• свойствами слагающих массив горных пород;

• напряженным состоянием.

В свою очередь, массивы пород в пределах отдельных месторождений и горных отводов одновременно являются частью твердой оболочки Земли и поэтому в известной степени отражают все основные закономерности, ей присущие.

В настоящее время горные работы ведут на глубинах преимущественно до 1000—1500 м. В Европе имеются некоторые рудники, где глубина разработки достигает почти 2000 м, в ЮАР и Индии на отдельных рудниках разработку ведут на глубинах свыше 3000—3500 м. Нефть и газ добывают с глубин до 6000—7000 м. Наиболее глубокие геолого-структурные и разведочные скважины достигают 9000 м. В России, на Кольском полуострове, в процессе реализации проекта сверхглубокого бурения достигнута глубина 12 000 м.

Приведенные цифры дают представление о тех глубинах эксплуатации земных недр и непосредственного проникновения в них, которые человечество достигло на сегодня и может достичь в ближайшие десятилетия. Эти глубины находятся в пределах верхней части земной коры, мощность которой по сравнению с радиусом земного шара ничтожно мала. Тем не менее свойства, структурные особенности и напряженное состояние земной коры в целом и верхней ее части, являющейся предметом изучения в геомеханике, тесно связаны с общим глубинным строением и развитием Земли. По современным представлениям, полученным для глубинных зон

на основании сейсмических исследований, в Земле выделяют верхнюю и нижнюю мантии, внешнее и внутреннее ядро. (Рис.3.1).

Средняя мощность внешней твердой оболочки Земли — земной коры - 32 км, причем на континентах она изменяется в пределах 20 - 70 км, в океанах — 5—15 км. Глубже находится верхняя мантия, отделяемая от земной коры поверхностью раздела Мохоровичича (раздела Мохо) — сейсмической границей, на которой скорость продольных упругих волн v_p скачкообразно возрастает до значений более 8 км/с, тогда как в земной коре она составляет обычно 6—7 км/с (максимальное значение 7,4 км/с). Это соответствует возрастанию плотности вещества верхней мантии до 3,3—3,7 г/см³ (плотность земной коры 2,7—3,0 г/см ).

На глубине 700—900 км верхнюю мантию сменяет нижняя манпшя, Их разделяет слой Голицына — нижний слой верхней мантии, который характеризуется быстрым увеличением электропроводности вещества и ростом скорости сейсмических волн.

На глубине около 2900 км нижняя мантия граничит с внешним ядром Земли, на границе которого резко, с 13,2—13,7 до 8,1—8,5 км/с, снижаются скорости продольных волн и полностью затухают поперечные волны. Это свидетельствует о жидком агрегатном состоянии вещества внешнего ядра.

На глубине 5100 км внешнее ядро граничит с внутренним ядром которое считают твердым. Здесь скорость v_p скачкообразно возрастает от 10,2 до 11 км/с. Вещество внутреннего ядра обладает высокой электропроводностью, а его плотность на 70% выше, чем плотность мантии. Это дает основание к предположению о металлическом составе ядра.

Земная кора и верхняя мантия образуют так называемую тектоносферу — область проявления в Земле тектонических процессов.

Рис. 3.1. Общая схема внутреннего строения Земли

В пределах земной коры выделяют по сейсмическим характеристикам три основных слоя.

Верхний — осадочный — характеризуется скоростями распространения продольных упругих волн 2,0—5,0 км/с. Его максимальная мощность обычно не превосходит 10 — 15 км (в отдельных точках отмечается до 25 км).

Следующий слой носит условное название гранитного, поскольку в нем скорость продольных волн v_p = 5,5...6,0 км/с, что соответствует гранитам. Максимальная мощность гранитного слоя 30—40 км.Нижний слой земной коры, именуемый базальтовым, характеризуется значением Vp = 6,5...7,4 км/с. Эти значения скоростей соответствуют базальтовым породам. Мощность базальтового слоя 15—20 км.

Гранитный и базальтовый слои разделены поверхностью Конрада — сейсмической границей изменения скорости упругих волн между этими двумя слоями.

По данным современных геофизических исследований в пределах верхней мантии существует некоторый слой, более пластичный и подвижный по отношению к выше- и нижележащим слоям. В этом слое существенно понижается скорость поперечных волн, а скорость продольных не возрастает с глубиной, что свидетельствует о более низкой плотности вещества в пределах данного слоя по сравнению со смежными слоями. Называют этот слой астеносферой. Под материками она находится на глубине от 100 до 250 км. Вязкость астеносферы на 2—3 порядка ниже, чем в смежных областях мантии, и составляет 10 пуаз.

Благодаря сравнительно малой вязкости и высокой пластичности астеносфера оказывается слоем, играющим особую роль: на ней как бы плавает вышележащая часть верхней мантии и земная кора. Возникает явление изостазии — относительно равновесного состояния земной коры: давление земной коры на уровне верхней границы астеносферы (около 100 км) оказывается повсеместно одинаковым, независимо от рельефа поверхности Земли. Явление изостазии было установлено еще в конце XIX в. английскими исследователями Д. Эри и Ф. Праттом, выяснившими, что крупнейший горный массив Гималаев не дает того избытка силы тяжести, который должен был бы наблюдаться, если учитывать его высоту и тяжесть.

Как отмечал чл.-корр. В.Е. Хаин, астеносфера является областью затухания движений, связанных с перераспределением масс на поверхности земной коры. Вместе с тем она служит и амортизатором по отношению к движениям, исходящим из более глубоких слоев мантии. Но наряду с этим она является и мощным генератором движений земной коры, так как в ней происходит магмообразование; подъем же магмы вызывает перемещения блоков земной коры.

Изложенные общие представления о строении Земли позволяют проследить в основных чертах ее развитие, с которым связаны свойства и состояние земной коры.

Изучение процессов звездообразования привело современную космологию к заключению, в основном соответствующему гипотезе акад. О.Ю. Шмидта, что исходным материалом для формирования как звезд, так и планет служат газопылевые туманности. Из такого холодного газопылевого облака образовалась и Земля, последующий разогрев которой связан с гравитационным уплотнением, выделением тепла радиоактивными элементами и нагреванием от ударов крупных тел.

Абсолютный возраст Земли оценивают в 5,0—5,5 млрд лет. Считают, что формирование земной коры началось 4,5—4,7 млрд лет назад. В процессе формирования внутренних оболочек и коры земля прошла ряд этапов, на протяжении которых произошло разделение на ядро и мантию, образовалась первичная земная кора, верхние слои которой — гранитный и осадочный — активно формировались на протяжении последних 3,5 млрд лет в условиях взаимодействия глубинных процессов с поверхностными.

Земная кора и часть верхней мантии до границы с астеносферой, которые в геотектонике обычно объединяют под общим наименованием литосферы, по составу слагающих горных пород и тектоническому строению являются весьма сложными.