Внутрішня будова Землі та властивості її геосфер

Земля як космічне тіло Сонячної системи складається із газоподібних, рідких і твердих речовин. В цілому спостерігається закономірне збільшення густини і маси речовини від периферії до центру нашої планети, в результаті чого сформувалось декілька оболонок, які розрізняються між собою за будовою, речовинним складом і властивостями. Виходячи з цього, в будові Землі виділяють три основні оболонки – геосфери: тверду, рідку та газоподібну.

Вивчення внутрішньої будови Землі пов’язане з великими труднощами. Зараз людство ще не має технічних засобів для безпосереднього проникнення в глибинні шари Землі та відбору зразків земної речовини для її відповідного вивчення. У зв’язку з цим надра нашої планети, особливо надглибокі горизонти, досліджуються штучним шляхом, який базується на аналізі фізичних полів Землі, тобто на даних сейсмології, гравіметрії, геотермії, вимірюванні частот власних коливань Землі, експериментальних даних про властивості і поведінку гірських порід в умовах високих тисків і температур тощо.

Одним із найбільших часто застосовуваних методів є хвильове (сейсмічне) поле, яке на протязі декількох хвилин може пронизати Землю наскрізь і подати відповідну інформацію про її внутрішні геосфери. Це поле виникає як природним шляхом при землетрусах, так і створюється штучно при проведенні вибухів різної потужності.

Цими дослідженнями разом з іншими геологічними і геохімічними дослідженнями встановлено, що Земля складається із трьох основних геосфер – земної кори, мантії і ядра, які в свою чергу поділяються на ряд інших шарів (рис.1.1). Речовина цих геосфер відрізняється за фізичними властивостями, станом і мінералогічним складом, про що свідчить зміна температури, густини, пружності, в’язкості тощо.

Рисунок 1.1 - Схема внутрішньої будови Землі

Залежно від величини швидкостей розповсюдження сейсмічних хвиль та характеру їх зміни з глибиною в надрах Землі виділяють вісім сейсмічних шарів: і . Крім того, в надрах Землі виділяють особливо міцний шар – літосферу і нижчележачий розм’яклий шар – астеносферу.

Літосфера – зовнішня, відносно міцна оболонка твердої Землі, яка залягає над менш в’язкою і більш пластичною астеносферою. Літосфера майже повсюдно складається із земної кори і верхнього шару мантії Землі товщиною декілька десятків кілометрів. Нижня границя літосфери нерізка і виділяється за зменшенням в’язкості, швидкості розповсюдження сейсмічних хвиль і збільшенням електропровідності, що обумовлено підвищенням температури і частковим (декілька %) розплавленням речовини. Основними методами встановлення границі між літосферою та астеносферою є сейсмологічний і магнітотелуричний методи.

Земна кора або шар має перемінну товщину. Її верхня тверда оболонка Землі обмежується знизу поверхнею Мохоровичича. В основі сучасних уявлень про структуру, склад та інші характеристики земної кори лежать геофізичні дані про швидкість розповсюдження пружних хвиль, які на границі Мохоровичича стрибкоподібно збільшується від 7,5-7,8 до 8,1-8,2 км/с. Природа нижньої границі земної кори, можливо, обумовлена зміною хімічного складу порід (габро-перидотит) або фазовими переходами в системі габро-еклогіт.

В цілому для земної кори характерна вертикальна і горизонтальна неоднорідність, яка відображає різний характер її еволюції в різних частинах планети, а також її суттєву переробку в процесі останнього етапу розвитку (30-40 млн.років тому), коли були сформовані основні риси сучасного обліку Землі. Можливо, що частина земної кори знаходиться у стані ізостатичної рівноваги, яка у випадку порушення досить швидко відновиться завдяки наявності астеносфери.

Під горами земна кора витончується, а в рифтових долинах серединно-океанічних хребтів майже повністю пропадає.

Земна кора як геосфера складає незначну частину від загального об’єму і маси Землі. За складом і товщиною виділяють три основні типи земної кори – континентальну, океанічну та кору перехідних областей (рис. 1.2).

1-5шари із різними значеннями швидкостей сейсмічних хвиль, км/с (1 - <5.8; 2 - 5.8-6.2; 3 - 6.5-6.7; 4 - 6.8-7.2; 5 - >7.2);6 - типові швидкісні розрізи. К1, К2, М - основні сейсмічні границі.

Рисунок 1.2 - Типи земної кори (І-VІ) за В.В. Бєлоусовим та Н.І. Павлєнковою (1985)

Континентальна корахарактеризуєтьсямаксимальною товщиною, яка досягає 70 км. Складена вона магматичними, метаморфічними та осадовими породами і має товщину не більше 10-15 км. Нижче залягає гранітно-гнейсовий шар товщиною 10-20 км, який складений магматичними і метаморфічними породами переважно кислого складу. В нижній частині континентальної кори залягає потужний шар базальтів товщиною до 40 км.

Границі між цими шарами простежуються за відбиттям сейсмічних хвиль, швидкість проходження в яких і характер заломлення або відбиття від поверхні розділу, неоднаковий. Так, в осадовому шарі швидкість поширення поздовжніх сейсмічних хвиль складає 1,5-5,0 км/с, в граніто-гнейсовому – 5,8-6,0 км/с і в базальтовому – 6,0-7,4 км/с. Це й дало можливість встановити додаткові границі розділів в континентальній корі і виділити між граніто-гнейсовим і базальтовим шарами поверхню розділу, яка отримала назву “поверхні Конрада”.

До характерних особливостей континентальної кори належать наявність так званих коренів гір – різкого збільшення товщини земної кори під гірськими спорудами. Наприклад, під Гімалаями вона досягає товщини 70-80 км.

Океанічна кора характеризується незначною товщиною, яка місцями зменшується до 5-10 км. Вона також складається із трьох шарів – верхній осадовий, який представлений незцементованими розсипчастими осадами товщиною до декілька сотень метрів; базальтовий – товщиною 1,5-2,0 км, який в основному утворений продуктами підводних вивержень вулканів із незначними прошарками ущільнених осадів, і нижній шар, товщиною 3-5 км, який складається із основних та ультра основних гірських порід.

Отже, як видно з наведених даних, основною різницею між континентальною та океанічною корами є не тільки значне зменшення товщини останньої, але й відсутність в ній граніто-гнейсового шару, складеного кислими породами.

Кора перехідних областей розвинута в основному по периферії крупних континентів, де розташовані окраїнні моря, які замикаються цілими архіпелагами островів. Тут відбувається зміна континентальної кори на океанічну. Ця зона за своєю будовою, товщиною, речовинним складом, густиною швидкістю і характером проходження сейсмічних хвиль займає перехідне становище.

Шари і входять до складу мантії Землі. Шар протягується від поверхні Мохоровичича до глибини 400 км. Його іноді ототожнюють з верхньою мантією Землі, хоча в динамічних моделях вона обмежується глибиною 700 км, нижче якої відсутні джерела землетрусів.

Між шаром В і земною корою проходить інтенсивний обмін речовиною. Легкоплавка частина речовини шару , яка складає до 10% від його маси, дорівнює масі сучасної земної кори. Всередині шару є зона понижених швидкостей сейсмічних хвиль: на глибині 100-200 км під континентами та 60-200 км під океанами. Зменшення швидкості поздовжніх сейсмічних хвиль в цій зоні пов’язане з відносно високою температурою, яка близька до температури плавлення речовини при відповідному тиску. З цим шаром пов’язують положення фокусів більшості землетрусів. Він має назву астеносфери. Астеносфера – це шар пониженої в’язкості у верхній мантії Землі. Понижена в’язкість астеносфери обумовлена високою температурою, яка приводить до часткового виплавлення базальтової магми. В астеносфері проходить перетікання речовини, яка викликає вертикальні і горизонтальні тектонічні рухи блоків літосфери. Флюїди і магма, проникаючи в земну кору із астеносфери, беруть участь у формуванні покладів корисних копалин. Астеносфера відіграє важливу роль в ендогенних процесах, які проходять в земній корі.

Шар (шар Голіцина) знаходиться на глибинах 400-900 км і характеризується різким ростом швидкостей хвиль, пов’язаних з переходом мінералів у більш щільні модифікації.

У верхній мантії швидкість поширення поздовжніх сейсмічних хвиль збільшується від 7,9–9 км/с (біля поверхні шару Мохоровичича) до 11,2–11,4 км/с на глибині біля 950 км.

Нижня мантія знаходиться в інтервалі глибин 950–2900 км (шар ). За характером розповсюдження в ньому сейсмічних хвиль його часто поділяють на дві частини. Верхня частина знаходиться в інтервалі глибин 950–2700 км і нижня – і інтервалі глибин 2700–2900 км. Перша частина мантії характеризується подальшим наростанням швидкості поширення поздовжніх і поперечних хвиль з глибиною. Вважається, що пов’язано це з однорідністю верхньої частини нижньої мантії, де швидкість хвиль виросла за рахунок стиснення однорідної речовини. Однак поблизу підошви нижньої мантії на глибині 2700–2900 км ( ) швидкість поширення поздовжніх сейсмічних хвиль сильно знижується. Викликано це скоріше всього неоднорідністю складу і високим градієнтом температури.

Центральну частину планети займає ядро Землі, радіус якого складає 3486 км. Воно займає близько 17% її об’єму і біля 34% її маси. Така велика різниця між об’ємом і масою обумовлена фізичними параметрами ядра і мантії. При цьому на зовнішній границі ядра відбувається стрибкоподібне пониження швидкості поширення поздовжніх сейсмічних хвиль від 13,7 км/с до 8,1 км/с. Це визначає специфіку проходження поздовжніх хвиль і веде до утворення так званої зони сейсмічної тіні. В цій зоні у зв’язку з високою густиною речовини поздовжні сейсмічні хвилі не реєструються.

В будові ядра Землі виділяють дві границі на глибинах 4980 км і 5120 км. В зв’язку з цим земне ядро поділяється на три зони: 1 – зовнішнє ядро (шар ), яке залягає в інтервалі глибин 2900-4980 м; 2 – перехідна оболонка (шар ), яка знаходиться в інтервалі глибин 4980-5120 км; 3 – суб’ядро (шар ), яке знаходиться нижче глибини 5120 км.

Зовнішнє ядро має унікальні властивості, оскільки не пропускає поперечних сейсмічних хвиль. Це свідчить про відсутність в ньому пружного опору зсуву, тобто ця частина ядра щодо поширення сейсмічних хвиль веде себе як рідина. Пояснюється це тим, що його речовина знаходиться під дією високих тисків і температур, чим викликана своєрідність його будови.

Суб’ядро може знаходитися у твердому стані, в якому розповсюджуються поперечні хвилі.

Шар є перехідною оболонкою між шарами, речовини яких знаходяться у різних фазових станах.

Про походження ядра Землі єдиної думки немає. Вважають, що воно утворилось внаслідок гравітаційної диференціації первинної Землі в період її росту або пізніше. Можливо, що залізне ядро виникло ще в протопланетній хмарі.