Земля - планета Солнечной системы (стр. 5 из 12)

Табл. 5.—Основные данные о геосферах «твёрдой» Земли

Геосферы Подразделения геосфер Буквенное обозначение Глубина нижней границы*, км. Объём, 1018 м3 Масса**, 1021 кг
Земная кора осадочный слой A до 20 1,0 2,5
«гранитный» слой до 40 3,6 10
«базальтовый» слой до 70 5,6 16
Мантия верхняя мантия субстрат B 50-100 180,1 610
слой Гуттенберга (астеносфера) около 400
слой Голицына C около 900 205,7 856
Нижняя мантия D 2900 510,8 2547
Ядро Внешнее ядро E около 4800 166,6 1828
F около 5100
субъядро G 6371 8,6 106

• Разность между средним радиусом З. и средним радиусом границы (кроме коры). ** Кора по А. Б. Ронову и А. А. Ярошевскому (1969), остальные по Ф. Бёрчу (1964).

а) Строение «твёрдой» Земли.

Верхняя сфера «твёрдой» Земли — земная кора (А) — самая неоднородная и сложно построенная. Из нескольких типов земной коры преобладающее распространение имеют материковая и океаническая; в строении первой различают три слоя: верхний — осадочный (от 0 до 20 км), средний, называемый условно «гранитным» (от 10 до 40 км), и нижний, т. н. «базальтовый» (от 10 до 70 км), отделяющийся от «гранитного» поверхностью Конрада.

Под океанами осадочный слой на обширных площадях имеет толщину лишь в несколько сотен метров. «Гранитный» слой, как правило, отсутствует: вместо него наблюдается т. н. «второй» слой неясной природы, толщиной около 1—2,5 км. Мощность «базальтового» слоя под океанами — около 5 км. Кроме основных типов коры, встречается несколько типов «промежуточного» строения, в том числе кора субконтинентальная (под некоторыми архипелагами) и субокеаническая (в глубоководных впадинах окраинных и внутриконтинентальных морей). Субконтинентальная кора характеризуется нечётким разделением «гранитного» и «базальтового» слоев, которые объединяются под названием гранитно-базальтового. Кора субокеаническая близка к океанической, отличаясь от неё большей мощностью в целом и осадочного слоя в частности. С помощью сейсмических методов четко устанавливается поверхность раздела, отделяющая земную кору от нижележащей мантии. Мантия состоит из трёх слоев (В, С и D) и простирается от поверхности Мохоровичича до глубины 2900 км, где она граничит с ядром Земли. Слои В и С образуют верхнюю мантию (толщиной 850—900 км), слой D — нижнюю мантию (около 2000 км). Верхнюю часть слоя В, залегающую непосредственно под корой, называется субстратом; кора вместе с субстратом составляет литосферу. Нижнюю часть верхней мантии называют именем открывшего её свойства сейсмолога Б. Гуттенберга. Скорость распространения сейсмических волн в пределах слоя Гуттенберга несколько меньше, чем в выше- и нижележащих слоях, что связывают с повышенной текучестью его вещества. Отсюда — второе название слоя Гуттенберга — астеносфера (слабая сфера). Этот слой является сейсмическим волноводом, поскольку сейсмический «луч» (путь волны) долгое время идёт вдоль него. Лежащий ниже слой С (Голицына слой) выделен как зона быстрого нарастания с глубиной скоростей сейсмических волн (продольных от 8 до 11,3 км/сек, поперечных от 4,9 до 6,3 км/сек). Земное ядро имеет средний радиус около 3,5 тыс. км и делится на внешнее ядро (слой Е) и субъядро (слой G) с радиусом около 1,3 тыс. км. Их разделяет переходная зона (слой F) толщиной около 300 км, которую относят обычно к внешнему ядру. На границе ядра наблюдается скачкообразное падение скорости продольных волн (от 13,6 до 8,1 км/сек). Внутри ядра она возрастает, увеличиваясь скачком до 11,2 км/сек., вблизи границы субъядра. В субъядре сейсмические волны распространяются почти с неизменной скоростью.

б) Физические характеристики и химический состав «твёрдой» Земли.

С глубиной в Земле изменяются значения плотности, давления, силы тяжести, упругих свойств вещества, вязкости и температуры. Средняя плотность земной коры в целом — 2,8 т/м3 . Средняя плотность осадочного слоя коры — 2,4—2,5 т/м3 , «гранитного» — 2,7 т/м3 , «базальтового» — 2,9 т/м3 . На границе земной коры и мантии (поверхность Мохоровичича) плотность увеличивается скачком от значений 2,9—3,0 т/м3 до 3,1—3,5 т/м3 . Далее она плавно растет, достигая у подошвы слоя Гуттенберга 3,6 т/м3 . у подошвы слоя Голицына 4,5 т/м3 и у границы ядра 5,6 т/м3 . В ядре плотность скачком поднимается до 10,0 т/м3 , а далее плавно возрастает до 12,5 т/м3 в центре Земли.

Ускорение силы тяжести в Земле не изменяется скачком. До глубины 2500 км оно отклоняется от значения 10 м/сек менее чем на 2%, на границе ядра равно 10,7 м/сек2 и далее плавно убывает до нуля в центре Земли. По данным о плотности и ускорении силы тяжести вычисляется давление, которое непрерывно растёт с глубиной. У подошвы материковой коры оно близко к 1 Гн/м2 (109 н/м2 ), у подошвы слоя В — 14 Гн/м2 , слоя С — 35 Гн/м2 , на границе ядра — 136 Гн/м2 , в центре Земли — 361 Гн/м2 . Зная плотность и скорости сейсмических волн, вычисляют величины, характеризующие упругие свойства материала Земли. Их ход в зависимости от глубины показан на втором графике.

В земной коре и верхней мантии температура повышается с глубиной. Из мантии к поверхности «твёрдой» Земли идёт тепловой поток, в несколько тыс. раз меньший поступающего от Солнца (в среднем около 0,06 вт/м2 или около 2,5*1013 вт на всю поверхность З.). В мантии температура везде ниже температуры полного расплавления слагающего её материала. Под материковой корой она предполагается близкой к 600—700 °С. В слое Гуттенберга температура, по-видимому, близка к точке плавления (1500—1800 °С). Оценка температур для более глубоких слоев мантии и ядра З. носит весьма предположительный характер. По-видимому, в ядре она не превышает 4000—5000 °С.

Вязкость материала мантии выше и ниже границ астеносферы, видимо, не менее 1023 nз; вязкость астеносферы сильно понижена (1019 —1021 nз). Считается, что благодаря этому в астеносфере происходит медленное перетекание масс в горизонтальном направлении под влиянием неравномерной нагрузки со стороны земной коры (восстановление изостатического равновесия). Вязкость внешнего ядра на много порядков меньше вязкости мантии.

В верхней мантии до глубины 700 км отмечаются очаги землетрясений, что указывает на значительную прочность слагающего её материала; отсутствие более глубоких сейсмических очагов объясняется либо малой прочностью вещества, либо отсутствием достаточно сильных механических напряжений.

Электропроводность в верхней части слоя В очень низка (порядка 10-2 ом-1-1 ); в слое Гуттенберга она повышена, что связывают с ростом температуры. В слое Голицына она постепенно увеличивается приблизительно до 10—100 ом-1-1 , а в нижней мантии, по-видимому, возрастает ещё на порядок. В ядре Земли электропроводность очень высока, что указывает на металлические свойства его вещества.

Из современных космогонических гипотез вытекает, что химический состав планет, их спутников и метеоритов должен быть близок к составу Солнца. Сопоставляя известные химические анализы земных и лунных пород, метеоритов, спектральные анализы Солнца и учитывая данные о плотности и др. физических свойствах материала в недрах Земли, можно в общих чертах охарактеризовать состав Земли в целом и состав её различных геосфер.

Табл. 6.—Химический состав Земли

Химический элемент Содержание в весовых процентах Химический элемент Содержание в весовых процентах
Железо 34,63 Натрий 0,57
Кислород 29,53 Хром 0,26
Кремний 15,20 Марганец 0,22
Магний 12,70 Кобальт 0,13
Никель 2,39 Фосфор 0,10
Сера 1,93 Калий 0,07
Кальций 1,13 Титан 0,05
Алюминий 1,09

В табл. 6 приводится общий химический состав Земли, согласно подсчётам американского геохимика Б. Мейсона. При этом предполагается, что ядро состоит из железо-никелевого сплава, подобного металлической фазе хондритов. Относительно состава земного ядра существуют две гипотезы. Согласно первой — ядро состоит из железа с примесью (18—20%) кремния (или иного, сравнительно лёгкого материала); согласно второй — внешнее ядро слагается силикатом, который под влиянием огромного давления и высокой температуры перешёл в металлическое состояние; субъядро может быть железным или силикатным.

В составе Земли преобладают (как по массе, так и по числу атомов) железо, кислород, кремний и магний. В сумме они составляют более 90% массы Земли. Земная кора почти наполовину состоит из кислорода и более чем на четверть из кремния. Значительная доля принадлежит также алюминию, магнию, кальцию, натрию и калию. Кислород, кремний, алюминий дают наиболее распросранённые в коре соединения — кремнезём (SiO2 ) и глинозём (A12 O3 ).

Мантия состоит преимущественно из тяжёлых минералов, богатых магнием и железом. Они образуют соединения с SiO2 (силикаты). В субстрате, по-видимому, больше всего форстерита (MgSiO4 ), глубже постепенно возрастает доля фаялита (Fe2 SiO4 ). Предполагается, что в нижней мантии под влиянием очень высокого давления эти минералы разложились на окислы (SiO2 , MgO, FeO).