Внутреннее строение и история геологического строения Земли

Земля, как и другие планеты, возникла из солнечного вещества. Документальными свидетелями допланетной стадии развития вещества и ранних этапов существования Земли служат соотношения изотопов и радиоактивность химических элементов, из которых состоят Земля и метеориты.

На основании данных астрофизики и космохимии можно предполагать, что задолго до формирования планет Солнечной системы их вещество прошло звездную стадию, включавшую синтез ядер атомов в недрах звезд, одна из которых была предком Солнечной системы. В результате взрыва этой звезды образовалась протопланетная туманность.

Исходным материалом для образования планет был так называемый звездный газ — разобщенные ионизированные атомы. По мере охлаждения в соответствии с температурными условиями из него возникали твердые частицы и происходила их консолидация. Древнейшими твердыми телами Солнечной системы являются метеориты.

Земля как небесное тело образовалась при температурах ниже точки плавления составляющих ее материалов. Затем начался ее нагрев под действием радиоактивных элементов. Помимо этого Земля нагревалась за счет кинетической энергии соударения метеоритных потоков. В результате произошла дифференциация химических веществ планеты на оболочки разного строения и состава.

Главнейшими методами изучения внутренних частей нашей планеты являются геофизические, в первую очередь наблюдения за скоростью распространения сейсмических волн, образующихся от взрывов или землетрясений.

Среди них выделяют волны продольных и поперечных колебаний. Продольные колебания представляют собой чередования сжатия и растяжения вещества в направлении распространения волны. Поперечные колебания представляют собой чередующиеся сдвиги в направлении, перпендикулярном распространению волны.

Продольные волны распространяются как в твердом, так и в жидком веществе, поперечные — только в твердом.

Следовательно, если при прохождении сейсмических волн через какое-либо тело будет обнаружено, что оно не пропускает поперечные волны, то можно считать, что это вещество находится в жидком состоянии. Если через тело проходят оба типа сейсмических волн, то это — свидетельство твердого состояния вещества.

Скорость волн увеличивается с возрастанием плотности вещества. При резком изменении плотности вещества скорость волн будет скачкообразно меняться.

В результате изучения распространения сейсмических волн через Землю обнаружено, что имеется несколько определенных границ скачкообразного изменения их скоростей. Поэтому считается, что Земля состоит из нескольких концентрических оболочек (геосфер).

На основании установленных трех главных границ раздела выделяют три главные геосферы: земную кору, мантию и ядро.

Первая граница раздела характеризуется скачкообразным увеличением скоростей продольных сейсмических волн от 5,9 до 8,2 км/с. Эта граница получила название раздела Мохоровичича (в честь открывшего ее ученого Андрея Мохоровичича, 1857–1936 гг.), или просто границы М.

Она отделяет земную кору от мантии. Плотность вещества земной коры не превышает 3,0 г/см3. Граница М расположена под континентами на глубине от 40 до 80 км, а под дном океанов — от 4 до 10 км.

Так как радиус земного шара равен 6371 км, земная кора представляет собой тонкую пленку на поверхности планеты, составляющую менее 1% ее общей массы и примерно 1,5% объема.

Мантия — самая мощная из геосфер. Она расположена на глубине 670–2900 км и составляет до 82% объема и 65% массы планеты. С глубиной плотность вещества мантии в целом возрастает с 3,3 до 9,7 г/см3, хотя это происходит неравномерно.

На границе с земной корой вещество мантии находится в твердом состоянии. Поэтому земную кору вместе с самой верхней частью мантии называют литосферой.

Несмотря на высокую температуру, судя по распространению сейсмических волн, вещество мантии преимущественно твердое. Колоссальное давление и высокая температура делают невозможным обычное кристаллическое состояние.

По-видимому, вещество мантии находится в особом высокоплотном состоянии, которое на поверхности Земли невозможно. Уменьшение давления или некоторое повышение температуры должны вызвать быстрый переход вещества в состояние расплава.

Мантию подразделяют на верхнюю (слой В — до глубины 400 км), среднюю (слой С — до глубины 1000 км) и нижнюю (слой Д — до глубины 2900 км). Границу между слоем В и переходной к нижней мантии зоной именуют также границей Голицына (в честь русского ученого Б. Б. Голицына (1862–1916 гг.), установившего ее).

В верхней мантии имеется зона, в которой скорость поперечных сейсмических волн значительно уменьшается. По-видимому, это связано с тем, что вещество в пределах зоны частично находится в жидком (расплавленном) состоянии.

Зона пониженной скорости распространения поперечных сейсмических волн показывает, что жидкая фаза составляет до 10%, что отражает более пластичное состояние вещества по сравнению с выше и ниже расположенными слоями мантии. Относительно пластичный слой пониженных скоростей сейсмических волн получил название астеносферы (отгреч. asthenes — слабый).

Мощность ослабленной зоны достигает 200–300 км. В центральных частях океанов астеносфера располагается на глубине около 50 км, под устойчивыми участками материков опускается глубже — до 100 км.

Астеносфера имеет весьма важное значение для развития глобальных эндогенных геологических процессов. Малейшее нарушение термодинамического равновесия ведет к образованию огромных масс расплавленного вещества (астенолитов), которые поднимаются вверх, способствуя перемещению отдельных блоков литосферы по поверхности Земли.

В астеносфере возникают магматические очаги. Исходя из тесной связи литосферы с астеносферой как частью верхней мантии, эти два слоя объединяют под названием “тектоносфера”.

В последнее время внимание ученых в мантии привлекает зона, расположенная на глубине 670 км. Полученные данные позволяют предполагать, что это нижняя граница конвективного тепломассообмена, который связывает верхнюю мантию с литосферой.

В пределах мантии скорость сейсмических волн в целом возрастает в радиальном направлении от 8,1 км/с на границе земной коры с мантией до 13,6 км/с в нижней мантии. Но на глубине около 2900 км скорость продольных сейсмических волн резко уменьшается до 8,1 км/с, а поперечные волны глубже вообще не распространяются. Этим намечается граница между мантией и ядром Земли.

Ученым удалось установить, что на границе мантии и ядра в интервале глубин 2700–2900 км происходит зарождение гигантских тепловых струй, периодически пронизывающих всю мантию и проявляющихся на поверхности Земли в виде обширных вулканических полей.

Ядро Земли — центральная часть планеты. Оно занимает только около 16% ее объема, но содержит около трети всей массы Земли. Радиус ядра — 347 км.

Судя по распространению сейсмических волн, периферия ядра находится в жидком состоянии. Здесь господствует чрезвычайно высокое давление (несколько миллионов атмосфер). В этих условиях происходит полное или частичное разрушение электронных оболочек атомов, вещество “металлизируется”, т. е. приобретает свойства, характерные для металлов, в том числе высокую электропроводность.

Возможно, что земной магнетизм является результатом электрических токов, возникающих в ядре в связи с вращением Земли вокруг своей оси.

Плотность внешней части ядра — 12,5 г/см3. Вещество ядра неоднородно. На глубине около 5100 км скорость распространения сейсмических волн вновь возрастает с 8,1 до 13,6 км/с. Поэтому предполагают, что центральная часть ядра твердая и ее плотность — около 10² г/см3.

Определение вещественного состава разных оболочек Земли представляет весьма сложную проблему. Для непосредственного изучения состава доступна лишь земная кора.

Имеющиеся данные свидетельствуют, что земная кора состоит преимущественно из силикатов, а 99,5% ее массы составляют восемь химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, натрий и калий. Все остальные химические элементы в сумме образуют около 1,5%.

О составе более глубоких сфер земного шара можно судить лишь ориентировочно, используя геофизические данные и результаты изучения состава метеоритов. Поэтому модели вещественного состава глубинных сфер Земли, разработанные разными учеными, различаются.

Можно с большой уверенностью предполагать, что верхняя мантия также состоит из силикатов, но содержащих меньше кремния и больше железа и магния по сравнению с земной корой, а нижняя мантия — из оксидов кремния и магния, кристаллохимическая структура которых значительно более плотная, чем у этих соединений, находящихся в земной коре.

По причине еще большей плотности центральной части ядра можно ожидать, что она близка к составу железных метеоритов и состоит из никелистого железа.

Историю строения Земли принято изображать в виде последовательных стадий, или фаз.

Фаза 1 (5–4 млрд лет назад). Происходит образование Земли из газа, пыли, или планетезималей. В результате столкновения планетезималей и энергии, выделяющейся в процессе распада радиоактивных элементов, Земля постепенно разогревается.

Падение на Землю гигантского метеорита приводит к выбросу материала, из которого образуется Луна.

Согласно другой концепции, Протолуна, находившаяся на одной из гелиоцентрическихорбит, была захвачена Протоземлей, в результате чего образовалась двойная система Земля — Луна.

Дегазация Земли приводит к началу образования атмосферы, состоящей в основном из углекислоты, метана и аммиака. В конце рассматриваемой фазы за счет конденсации водяного пара начинается образование гидросферы.

Фаза 2 (4–3,5 млрд лет назад). Возникают первые острова, протоконтиненты, сложенные из горных пород, содержащих преимущественно кремний и алюминий. Протоконтиненты незначительно возвышаются над еще очень мелководными океанами.

Фаза 3 (3,5–2,7 млрд лет назад). Железо собирается в центре Земли и образует ее жидкое ядро, которое обусловливает возникновение магнитосферы. Создаются предпосылки для появления первых организмов, бактерий. Продолжается формирование континентальной коры.

Фаза 4 (2,7–2,3 млрд лет назад). Образуется единый суперконтинент Пангея, который омывает суперокеан Панталасс.

Фаза 5 (2,3–1,5 млрдлетназад). Охлаждение коры и литосферы приводит к распаду суперконтинента на блоки-микроплиты, пространство между которыми заполняют осадочные породы и вулканы. В результате возникают складчато-надводные системы и образуется новый суперконтинент — Пангея I.

Органический мир представлен сине-зелеными водорослями, фотосинтезирующая деятельность которых способствует обогащению атмосферы кислородом, что ведет к дальнейшему развитию органического мира.

Фаза 6 (1700–650 млнлетназад). Происходит деструкция Пангеи I, образование бассейнов с корой океанского типа. Формируются два суперконтинента: Гондвана, куда вошли Южная Америка, Африка, Индия, Австралия и Антарктида и Лавразия, включающая Северную Америку и Евроазию. Гондвану и Лавразию разделяет море Тетис.

Наступают первые ледниковые эпохи. Органический мир стремительно насыщается многоклеточными бесскелетными организмами. Появляются первые скелетные организмы (трилобиты, моллюски и др.). Происходит нефтеобразование.

Фаза 7 (650–280 млн лет назад). Горный пояс Аппалачей в Америке соединяет Гондвану с Лавразией — образуется Пангея II. Обозначаются контуры палеозойских океанов — Палеоантлантического, Палеотетиса, Палеоазиатского.

Гондвана дважды охватывается покровным оледенением. Появляются рыбы, позднее амфибии. Растения и животные выходят на сушу. Начинается широкое углеобразование.

Фаза 8 (280–130 млн лет назад). Пангея II пронизывается все более густой сетью континентальных рифтов, щелевидных ровообразных растяжений земной коры.

Начинается раскалывание суперконтинента. Африка отделяется от Южной Америки и Индостана, а последний — от Австралии и Антарктиды. Наконец, Австралия отделяется от Антарктиды. Покрытосеменные растения осваивают значительные пространства суши. В животном мире господствуют пресмыкающиеся и земноводные, появляются птицы и примитивные млекопитающие. В конце периода погибают многие группы животных, в том числе динозавры.

Фаза 9 (130 млн — 600 тыс. лет назад). Крупным изменениям подвергается общая конфигурация материков и океанов, в частности, Евразия отделяется от Северной Америки, Антарктида отделяется от Южной Америки.

Распределение материков и океанов стало весьма близким к современному. В начале рассматриваемого периода климат на всей Земле теплый и влажный. Конец периода характеризуется резкими климатическими контрастами.

Вслед за оледенением Антарктиды происходит оледенение Арктики. Складываются фауна и флора, близкие к современным. Появляются первые предки современного человека.

Фаза 10 (современность). Между литосферой и земным ядром поднимаются и опускаются потоки магмы, сквозь щели в коре они прорываются наверх. Обломки океанической коры опускаются вплоть до самого ядра, а затем всплывают и, возможно, образуютновые острова.

Литосферные плиты сталкиваются друг с другом и находятся под постоянным воздействием потоков магмы. Там, где плиты расходятся, образуются новые сегменты литосферы.

Постоянно происходит процесс дифференциации земного вещества, который преобразует состояние всех геологических оболочек Земли, в том числе и ядра.