Строение Земли

О строении Земли геологи судят в основном по сейсмическим данным, получаемым при регистрации колебаний, вызываемых землетрясениями и атомными взрывами. При этом учитывается скорость передачи колебаний, а также тот факт, что продольные волны распространяются в любой среде - жидкой, твердой, газообразной, а поперечные - лишь в средах, обладающих большой упругостью, т.е. в твердых объектах. Продольные волны связаны со сжатием среды (любой). В поперечной волне частицы среды колеблются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения продольной волны. Поперечные волны связаны с деформацией сдвига упругой среды. Примером поперечных волн являются колебания, распространяющиеся вдоль струн музыкальных инструментов.

Итак, сейсмические данные позволяют судить о пространственных параметрах Земли и ее структурных компонентов, равно как об их агрегатном состоянии. Важные сведения о строении Земли получены также в результате сверхглубокого бурения (Кольская скважина имеет глубину более 12 км).

В глобальном масштабе форма Земли лучше всего аппроксимируется эллипсоидом вращения - равновесной фигурой вращающейся однородной жидкости. Форма Земли (геоид) незначительно отличается от сфероида вращения. Именно поэтому географические глобусы изготавливают в форме шаров. У современной Земли полярный радиус R_П = 6356,78 км, а экваториальный R_Э = 6378,16 км. Масса Земли М_З = 5,98 • 10²⁴ кг, а средняя плотность ρ_з = 5,52 г/см³.

Строение Земли очень сложное, оно постоянно детализируется.

Поскольку Земля имеет форму шара, то ее структурные части обычно представляют в виде сферных оболочек, число которых растет вместе с развитием геологического знания. Для начала рассмотрим внутренние геосферные оболочки.

Первоначально Земля многими людьми воспринималась как твердый шар, более или менее однородный. Затем, в частности в связи с желанием осмыслить огненные выбросы вулканов, возникло представление о двухступенчатой структуре Земли: внутренняя оболочка, мантия, покрыта земной корой. Переход к трехступенчатой структуре Земли был связан с выделением ядра Земли. Дальнейшая дифференциация представлений о структуре Земли оказалась связанной с выделением ее своеобразных подоболочек.

Согласно современным воззрениям, ядро Земли состоит из внутреннего и внешнего ядра. Мантия Земли состоит из верхней, средней и нижней мантии, отделенных друг от друга разделами I и II (рис.). Что касается земной коры, то она отделена от верхней части мантии, превратившейся в результате остывания в горную породу, разделом Мохоровичича. Земная кора, раздел Мохоровичича и упомянутая верхняя часть мантии образуют литосферу (от греч. litos - камень). К литосфере примыкает астеносфера (от греч. astenes - слабый), слой пониженной вязкости в верхней части мантии Земли. Над земной корой находится атмосфера, а области океанов, морей, озер и рек образуют гидросферу. Магнитное поле Земли образует ее магнитосферу.

Рис. 26. Структура мантии Земли

Итак, восхождение от центра Земли к ее периферии связано с пересечением следующих геосферных оболочек: 1) внутреннего ядра Земли; 2) внешнего ядра Земли; 3) нижней мантии Земли; 4) раздела II; 5) средней мантии Земли; 6) раздела I; 7) верхней мантии Земли; 8) астеносферы, 9) нижнего слоя литосферы; 10) раздела Мохоровичича; 11) земной коры (верхнего слоя литосферы); 12) гидросферы; 13) атмосферы; 14) магнитосферы.

Внутреннее ядро Земли представляет собой шар диаметром 2500 км и имеет кристаллическую структуру. Сейсмологи заметили, что волны землетрясений, пробегающие планету от края до края, затрачивают на свой путь в зависимости от его направления различные промежутки времени. Это обстоятельство согласуется с расчетами, которое показывает, что внутреннее ядро Земли, являясь кристаллом, обладает анизотропными свойствами, оно пропускает сейсмические волны в одном направлении с большей скоростью, чем в другом. Разумеется, речь идет о весьма специфическом кристалле. Его температура превышает 4000°С, но благодаря гигантскому давлению он сохраняет свою кристаллическую природу. Внутреннее ядро Земли более чем на 90% состоит из железа.

Внешнее ядро Земли находится в жидком состоянии (в нем затухают поперечные волны) и в основном содержит железо, его окислы, а также примеси более легких веществ - кремния, серы.

Железная составляющая ядра Земли ответственна за земной магнетизм. А энергичное конвективное движение внутри внешнего ядра объясняет неоднократное изменение магнитной полярности нашей планеты, о чем свидетельствуют палеомагнитные данные. Древние породы «запоминают», фиксируют направленность магнитного поля Земли. Исследование этих пород показывает, что северный и южный магнитный полюса неоднократно менялись местами.

Мантия Земли, расположенная от подошвы земной коры вплоть до поверхности ядра, находящегося на глубине 2900 км, главным образом состоит из окислов кремния, магния и железа. Вещество мантии находится в жидком состоянии, но вязкость его очень высока. Для всей мантии характерны интенсивные конвективные движения, обуславливающие смещения литосферных плит и приводящие к извержению на поверхность Земли высокотемпературных (ок. 1300 °С) лав - мантийного вещества.

Ближайшие к поверхности Земли слои мантии - это лито-и астеносфера. Литосфера состоит из плит, которые при отсутствии внешних воздействий длительное время сохраняют свою форму. Как правило, располагающееся, под литосферными плитами вещество астеносферы частично размягчено и под давлением деформируется, течет.

Деформируемость астеносферы допускает скольжение по ней литосферных плит. Перемещения литосферных плит, крупнейшие из которых Тихоокеанская, Северо-Американская, Южно-Американская, Африканская, Евразиатская, Индо-Австралийская и Антарктическая, составляют единицы сантиметров (ок. 3 см) в год, однако за миллионы лет им удавалось преодолевать пути в тысячи километров. Соприкосаясь, литосферные плиты взаимодействуют друг с другом и приходят во вращение. Существуют весьма тщательно разработанные глобальные кинематические модели современного относительного движения литосферных плит. Мощность (толщина) литосферных плит составляет от 2 до 100 км.

Земная кора - внешняя оболочка Земли, толщиной менее 10 км под океанами, но более 25 км под материками. Образуется за счет движения литосферных плит, разрушения и выветривания горных пород и осадконакоплений. Океаническая кора состоит в основном из базальтов - пород вулканического происхождения, в которых преобладают полевой шпат и пироксен. Континентальная кора сложена главным образом из гранитов и магматических пород, содержащих преимущественно кварц, кальциевый полевой шпат, кислый плагиоклаз и слюду. Плотность океанической коры больше, чем плотность континентальной коры. Максимальная контрастность рельефа определяется тектонической активностью Земли и достигает 16-17 км. Со временем неровности рельефа уменьшаются, «растекаются» вследствие действия на земную кору гравитационных сил. По этой причине перепады высот в таких древних горных поясах, как, например, Уральские горы, не превышают 2 км.

Гидросфера состоит из вод океанов, морей, озер, рек, подземных источников и материковых льдов, а также воды, содержащейся в связанном состоянии в гидросиликатах. Большая часть гидросферы (ок. 63%) сосредоточена в Мировом океане. На пресные воды суши приходится не более 0,05% всех вод, сосредоточенных в верхних геосферах Земли (21,73 • 10²⁰ кг). Средняя глубина океанов 3711 м, а наибольшая 11022 м (Марианский желоб в Тихом океане). Средняя годовая температура поверхности вод океанов 17,5 °С. Мировой океан занимает 70,8% земной поверхности. В океанической воде растворены едва ли не все элементы таблицы Менделеева, преобладают хлор (19,35%) и натрий (10,76%).

Атмосфера Земли - это ее газовая (воздушная) оболочка, распространяющаяся до высот более 100 км. Атмосфера вращается вместе с Землей. У поверхности Земли современная атмосфера состоит в основном из азота (78,1%) и кислорода (21%). Давление и плотность воздуха с высотой убывают. На высоте 20-25 км находится слой озона, предохраняющий живые организмы на Земле от вредного для них коротковолнового излучения.

В атмосфере часто выделяют пять слоев: тропосфера (достигает на экваторе толщины 16-18 км), стратосфера (доходит до 55 км), мезосфера (достигает высоты 80 км), ионосфера (расположена до высоты 800 км, оказывает значительное влияние на распространение радиоволн), экзосфера (простирается от ионосферы до 2000-3000 км).

Для атмосферы Земли характерен так называемый парниковый эффект, обусловливаемый поглощением молекулами Н₂О, СО₂ и О₃ теплового излучения нагретой солнечными лучами поверхности планеты. Техногенная деятельность человека резко увеличивает содержание в атмосфере углекислого газа СО₂, в этой связи парниковый эффект представляет опасность для здоровья людей.

Магнитосфера Земли простирается на десятки, и даже сотни тысяч километров. Состояние магнитосферы определяется взаимодействием магнитного поля Земли с потоками космических, особенно высокоэнергетических, частиц. Конфигурация силовых линий магнитного поля Земли такова, что движущиеся по ним частицы попадают в так называемые ловушки, курсируя от Северного полушария в Южное и обратно. Магнитные ловушки подобно озоновому слою защищают живые организмы Земли от вредных для них излучений. К сожалению, техническая деятельность человечества разрушает не только озоновый слой, но и магнитные ловушки. Проблемы с озоновым слоем стали предельно актуальными уже в наши дни. Проблемы с магнитными ловушками ожидают человечество в будущем, возможно весьма недалеком.