ВНУТРІШНЯ БУДОВА ЗЕМЛІ ТА ВЛАСТИВОСТІ ЇЇ ГЕОСФЕР

Земля є однією з планет Сонячної системи, яка включає групу космічних тіл, поєднаних силами взаємного тяжіння: центральне світило – Сонце, 9 великих планет зі супутниками, понад 5 тис. малих планет або астероїдів, декілька сотень комет і безліч метеоритів. Основна частка загальної маси системи (99,87%) припадає на Сонце, а всі інші тіла обертаються навколо нього, крім супутників, що обертаються навколо своїх планет.

Вивчення внутрішньої будови Землі є одним з головних завдань геотектоніки і геологічної науки в цілому. Земля як космічне тіло Сонячної системи складається з 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. Для безпосереднього вивчення земної кори і верхів мантії, водної і повітряної оболонки планети використовуються переважно геофізичні методи. Завдання ускладнюється необхідністю з’ясування не лише теперішньої будови Землі, а й тих змін та перетворень, яких вона зазнала впродовж останніх 4-5 млрд. років.

У зв’язку з цим надра нашої планети, особливо надглибокі горизонти, досліджуються штучним шляхом, який базується на аналізі штучних полів Землі, тобто на даних сейсморозвідки, гравіметрії, геотермії, вимірюванні частот власних коливань Землі, експериментальних даних про властивості і поведінку гірських порід в умовах високих тисків і температур.

Найчастіше застосовується хвильове (сейсмічне) поле, яке протягом декількох хвилин може пронизати Землю наскрізь та 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 з трьох основних геосфер – земної кори, мантії і ядра, які в свою чергу поділяються на ряд інших шарів. Товщина земної кори неоднакова, вона змінюється від 5-6 км під океанами до 70-75 – під гірськими спорудами.

Таким чином, до середини минулого століття склалися уявлення про поділ планети на 5 оболонок: внутрішнє ядро, зовнішнє ядро, нижня мантія, верхня мантія і земна кора. Залежно від величини швидкостей розповсюдження сейсмічних хвиль та характеру їх зміни з глибиною в надрах Землі виділяють 8 сейсмічних шарів: А – земна кора; B – підкорова зона; C – шар Голіцина; D – зона мантії з ядром; Е – рідке зовнішнє ядро; F – перехідна зона ядра; G – тверде внутрішнє ядро. Крім того, в надрах Землі виділяють особливо міцний шар – літосферу і нижчележачий розм’яклий шар – астеносферу (рис.2.1).

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 товщиною декілька десятків кілометрів. Нижня границя літосфери нерізка і виділяється за зменшенням в’язкості, швидкості розповсюдження сейсмічних хвиль і збільшенням електропровідності, що зумовлюється підвищенням температури і частковим розплавленням речовини. Основними методами встановлення границі між літосферою та астеносферою є сейсмічний і магнітотелуричний.

Частка земної кори в загальній масі планети представляється у вигляді однорідного шару ефективною товщиною 35 км, її зовнішня тверда оболонка обмежується знизу границею Мохоровичича. В основі сучасних уявлень про структуру, склад та інші характеристики земної кори лежать геофізичні дані про швидкість розповсюдження пружних хвиль, яка на границі Мохоровичича стрибкоподібно збільшується від 7,5 до 8,2 км/с.

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). Можливо, що частина земної кори знаходиться у стані ізостатичної рівноваги, яка у випадку порушення 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.2.2).

Континентальна кора характеризується максимальною товщиною, яка досягає 70 км, складається з магматичних, метаморфічних та осадових порід та має товщину 10-15 км. Нижче залягає гранітно-гнейсовий шар товщиною 10-20 км, 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 неоднакові. Так, в осадовому шарі швидкість поширення поздовжніх сейсмічних хвиль складає 1,5 – 5,0 км/с; в гравійно-гнейсовому – 5,8 – 6,0 км/с; і в базальтовому – 6,0 – 7,4 км/с. Це й дало можливість встановити додаткові границі розділів у континентальній корі та виділити між гранітно-гнейсовим і базальтовим шарами поверхню розділу – “поверхню Конрада”. Характерною особливістю континентальної кори є наявність так званих коренів гір – різкого збільшення товщини земної кори під гірськими спорудами, наприклад, під Гімалаями вона досягає 70-80 км.

Океанічна кора займає 56% земної поверхні і відзначається порівняно невеликою потужністю 5-7 км. В її будові розрізняють три шари: осадовий шар, потужністю декілька сотень метрів, який виклинюється в осьових зонах серединно-океанічних хребтів і потовщується до 10-15 км на периферії океанів, представлений незцементованими розсипчастими осадами товщиною до декількох сотень метрів; базальтовий – товщиною 1,5-2,0 км, утворений в основному продуктами підводних вивержень вулканів із незначними прошарками ущільнених осадів. Базальтовий шар відслонюється поблизу гребенів серединно-океанічних хребтів. Третій шар вивчений недостатньо. Є підстави вважати, що він складений кристалічними породами основного рідше ультраосновного складу.

Знизу океанічна кора підстилається кристалічними утвореннями верхньої мантії, а під гребенями серединно-океанічних хребтів вона залягає над резервуарами базальтових розплавів. Вважається, що вік порід другого і третього шарів близький до віку осадового шару.

Кора перехідних областей розвинута в основному по периферії великих континентів, де розташовані окраїнні моря та 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 є перехідною.

Мантія розташована між підошвою земної кори та поверхнею земного ядра на глибині 2900 км. Вона охоплює зони B,C,D’,D” і традиційно поділяється на верхню(шар B,C) і нижню(D’,D”) мантію. Шар B протягується від поверхні Мохоровичича до глибини 400 км. Пізніше в межах мантії на глибині 400 – 670 км російський геофізик Голіцин установив інтенсивне зростання швидкостей сейсмічних хвиль – цей шар отримав назву “шар Голіцина”. Поняття про мантію з’явилось у зв’язку з відкриттям ядра, розташованим в інтервалі глибин 2900 – 6371 км. Сейсмічна межа між мантією і ядром на глибині близько 2900 км була відкрита Гутенбергом у 1914 році і отримала назву "границяГутенберга". У верхній частині мантії знаходиться шар пониженої в’язкості, твердості та міцності, з яким пов’язують положення фокусів більшості землетрусів – астеносфера. Пониження в’язкості астеносфери зумовлено високою температурою, яка приводить до часткового виплавлення базальтової магми. В астеносфері проходить перетікання речовини, яке викликає вертикальні і горизонтальні тектонічні рухи блоків літосфери.

Нижня мантія знаходиться в інтервалі глибин 950 – 2900 км. За характером розповсюдження в ньому сейсмічних хвиль його часто поділяють на дві частини. Верхня частина (950-2700) км) характеризується подальшим наростанням швидкості поширення поздовжніх і поперечних хвиль з глибиною. Однак, поблизу підошви нижньої мантії на глибині 2700-2900 км швидкість поширення поздовжніх сейсмічних хвиль сильно знижується. Це викликано неоднорідністю складу і високим градієнтом температури.

Центральну частину планети займає ядро Землі, радіус якого дорівнює 3486 км. Воно надійно виділяється за сейсмічними даними, перш за все за відбитими від його поверхні поздовжніми і поперечними хвилями, зниженням швидкості поздовжніх хвиль в 1,7 рази і за повним затуханням у зовнішньому ядрі поперечних хвиль. Це сприймається як доказ рідкого стану речовини.

В будові ядра Землі виділяють дві границі на глибинах 4980 км і 5120км. У зв’язку з цим земне ядро поділяється на три зони: зовнішнє ядро (шар E), яке залягає в інтервалі глибин 2900-4980 км; перехідна оболонка (шар F), яка знаходиться в інтервалі глибин 4980-5120 км; суб’ядро (шар G), яке знаходиться на глибині 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 поводить себе як рідина, знаходячись під дією високих тисків і температур.

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

Шар F 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.

ЛЕКЦІЯ 3