ГЕОЛОГИЯ Кора, мантия и ядро. Бльшая часть сведений о внутреннем строении Земли получена косвенно на основании интерпретации поведения сейсмических волн, которые регистрируются сейсмографами.
В недрах Земли установлены два основных рубежа, на которых происходит резкая смена характера распространения сейсмических волн. Один из них, с сильной отражающей и преломляющей способностью, расположен на глубине 13-90 км от поверхности под материками и 4-13 км - под океанами. Он называется границей Мохоровичича, или поверхностью Мохо (М), и считается геохимической границей и зоной фазового перехода минералов под влиянием высокого давления. Эта граница разделяет земную кору и мантию. Второй рубеж находится на глубине 2900 км от поверхности Земли и соответствует границе мантии и ядра (рис. 1).
Температуры. На основании того, что из вулканов извергается расплавленная лава, сложилось представление, что недра Земли раскалены. По результатам температурных измерений в шахтах и нефтяных скважинах установлено, что с глубиной температура земной коры непрерывно повышается. Если бы такая тенденция сохранялась вплоть до ядра Земли, то его температура составила бы ок. 2925? С, т.е. значительно превышала бы точки плавления обычно встречающихся на земной поверхности пород. Однако на основании данных о распространении сейсмических волн считается, что бльшая часть недр Земли находится в твердом состоянии.
Решение вопроса о температуре земных недр, тесно связанной с ранней историей Земли, имеет большое значение, но до сих пор он остается дискуссионным. Согласно одним теориям, Земля первоначально была раскаленной, а затем остыла, согласно другим - первоначально была холодной, а затем разогрелась под действием тепла, генерируемого в процессе распада радиоактивных элементов и высокого давления на глубине.
Земной магнетизм. Обычно считается, что магнитное поле создается внутри Земли, однако механизм его возникновения недостаточно ясен. Магнитное поле не может быть результатом постоянной намагниченности железного ядра Земли, поскольку температура уже на глубине нескольких десятков километров значительно ниже точки Кюри - температуры, при которой вещество утрачивает свои магнитные свойства. Кроме того, гипотеза постоянного магнита в фиксированном положении противоречит отмечаемым изменениям магнитного поля в настоящее время и в прошлом.
Остаточная намагниченность сохраняется в осадочных и вулканических породах. Частички магнетита, осаждающиеся в спокойных водоемах, а также магнитные минералы в лавовых потоках при температуре ниже точки Кюри остывают и ориентируются по направлению силовых линий локального магнитного поля, существовавшего во время образования пород. Палеомагнитные исследования горных пород позволяют установить положение магнитных полюсов, которые существовали во время осадконакопления и оказывали воздействие на ориентировку магнитных частиц. Полученные результаты свидетельствуют о том, что либо магнитные полюса, либо участки земной коры со временем существенно меняли свое положение по отношению к оси вращения Земли (первое представляется маловероятным). Имеются также веские доказательства того, что материки перемещались относительно друг друга. Например, положения магнитного полюса, определенные по палеомагнитным данным для пород одного и того же возраста в Северной Америке, Европе и Австралии, пространственно не совпадают. Эти факты подтверждают гипотезу, согласно которой материки образовались из единого праматерика в результате его деления на отдельные части и последующего их раздвижения. См. также ГЕОМАГНЕТИЗМ.
Гравитационное поле Земли. Гравитационными исследованиями установлено, что земная кора и мантия под воздействием дополнительных нагрузок прогибаются. Например, если земная кора всюду имела бы одинаковую мощность и плотность, то следовало бы ожидать, что в горах (где масса пород больше) действовала бы бльшая сила притяжения, чем на равнинах или в морях. Однако примерно с середины 18 в. было замечено, что гравитационное притяжение в горах и вблизи них меньше предполагаемого (если допустить, что горы представляют собой просто дополнительную массу земной коры). Этот факт объяснялся наличием "пустот", которые интерпретировались как разуплотнившиеся при нагревании породы или как соляное ядро гор. Такие объяснения оказались несостоятельными, и в 1850-х годах были предложены две новые гипотезы.
В соответствии с первой гипотезой, земная кора состоит из блоков пород разных размеров и плотности, плавающих в более плотной среде. Основания всех блоков располагаются на одном уровне, а блоки, характеризующиеся низкой плотностью, должны быть большей высоты, чем блоки, имеющие высокую плотность. Горные сооружения принимались за блоки низкой плотности, а океанические бассейны - высокой (при одинаковой общей массе тех и других).
Согласно второй гипотезе, плотность всех блоков одинакова и плавают они в более плотной среде, а различная высота поверхности объясняется их разной мощностью. Она известна как гипотеза горных корней, поскольку чем выше блок, тем глубже он погружен во вмещающую среду. В 1940-х годах были получены сейсмические данные, подтверждающие представление об утолщении земной коры в горных областях.
Изостазия. Всякий раз, когда на земную поверхность поступает дополнительная нагрузка (например, в результате осадконакопления, вулканизма или оледенения), земная кора прогибается и проседает, а когда эта нагрузка снимается (в результате денудации, таяния ледниковых покровов и пр.), земная кора поднимается. Этот компенсационный процесс, известный как изостазия, вероятно, реализуется посредством горизонтального переноса масс в пределах мантии, где может происходить периодическое расплавление материала. Установлено, что некоторые участки побережья Швеции и Финляндии за последние 9000 лет поднялись более чем на 240 м, главным образом вследствие таяния ледникового покрова. Поднятые побережья Великих озер в Северной Америке сформировались также в результате изостазии. Несмотря на действие таких компенсационных механизмов, крупные океанические впадины и некоторые дельты обнаруживают значительный дефицит массы, в то время как некоторые районы Индии и Кипр - существенный ее избыток.
Вулканизм. Происхождение лавы. В некоторых районах земного шара магма во время вулканических извержений изливается на земную поверхность в виде лавы. Многие вулканические островные дуги, по-видимому, связаны с системой глубинных разломов. Центры землетрясений располагаются примерно на глубине до 700 км от уровня земной поверхности, т.е. вулканический материал поступает из верхней мантии. На островных дугах он часто имеет андезитовый состав, а поскольку андезиты по своему составу сходны с континентальной земной корой, многие геологи считают, что континентальная кора в этих районах наращивается за счет поступления мантийного вещества.
Вулканы, действующие вдоль океанических хребтов (например, Гавайского), извергают материал преимущественно базальтового состава. Эти вулканы, вероятно, сопряжены с мелкофокусными землетрясениями, глубина которых не превышает 70 км. Поскольку базальтовые лавы встречаются как на материках, так и вдоль океанических хребтов, некоторые геологи предполагают, что непосредственно под земной корой существует слой, из которого поступают базальтовые лавы. См. также ВУЛКАНЫ.
Однако неясно, почему в одних районах из мантийного вещества образуются и андезиты, и базальты, а в других - только базальты. Если, как теперь полагают, мантия действительно является ультраосновной породой (т.е. обогащена железом и магнием), то лавы, произошедшие из мантии, должны иметь базальтовый, а не андезитовый состав, поскольку минералы андезитов отсутствуют в ультраосновных породах. Это противоречие разрешает теория тектоники плит, согласно которой океаническая кора поддвигается под островные дуги и на определенной глубине плавится. Эти расплавленные породы и изливаются в виде андезитовых лав.
Источники тепла. Одной из нерешенных проблем проявления вулканической активности является определение источника тепла, необходимого для локального плавления базальтового слоя или мантии. Такое плавление должно быть узколокализованным, поскольку прохождение сейсмических волн показывает, что кора и верхняя мантия обычно находятся в твердом состоянии. Более того, тепловой энергии должно быть достаточно для плавления огромных объемов твердого материала. Например, в США в бассейне р.Колумбия (штаты Вашингтон и Орегон) объем базальтов более 820 тыс. км3; такие же крупные толщи базальтов встречаются в Аргентине (Патагония), Индии (плато Декан) и ЮАР (возвышенность Большое Кару). В настоящее время существуют три гипотезы. Одни геологи считают, что плавление обусловлено локальными высокими концентрациями радиоактивных элементов, но такие концентрации в природе кажутся маловероятными; другие предполагают, что тектонические нарушения в форме сдвигов и разломов сопровождаются выделением тепловой энергии. Существует еще одна точка зрения, согласно которой верхняя мантия в условиях высоких давлений находится в твердом состоянии, а когда вследствие трещинообразования давление падает, она плавится и по трещинам происходит излияние жидкой лавы.
Геохимия и состав Земли. Определение химического состава Земли является трудной задачей, поскольку ядро, мантия и бльшая часть коры недоступны для непосредственного опробования и наблюдений и делать выводы приходится на основе интерпретации косвенных данных и аналогий.
Земля как гигантский метеорит. Предполагают, что метеориты представляют собой обломки ранее существовавших планет, по своему составу и строению имевших сходство с Землей. Существует несколько типов метеоритов. Наиболее известны и довольно часто встречаются железные метеориты, состоящие из металлического железа и железо-никелевых сплавов, которые, как полагают, составляли ядра существовавших планет и по аналогии должны быть идентичны земному ядру по плотности, составу и магнитным свойствам.
Второй тип - каменные метеориты, состоящие преимущественно из железо-магнезиальных силикатных минералов. Они более распространены по сравнению с железными метеоритами и по своей плотности соответствуют породам, слагающим мантию. По составу каменные метеориты очень близки к ультраосновным породам Земли.
Третий тип - смешанные метеориты, имеющие в своем составе металлы и силикаты, что указывает на их генезис из переходного (от мантии к ядру) слоя ранее существовавшей планеты.
Плотность Земли. Средняя плотность Земли в 5,5 раз выше плотности воды, в 5 раз выше плотности Венеры и в 3,9 раза - Марса. Согласно оценкам, увеличение плотности с глубиной, которое хорошо согласуется с общей массой Земли, моментом инерции, сейсмическими свойствами и сжимаемостью, распределяется следующим образом. Средняя плотность земной коры (по крайней мере, в ее верхней части до глубины 32 км) составляет 3,32 г/см3, ниже поверхности Мохоровичича она непрерывно возрастает (эта закономерность несколько нарушается на уровнях 415 и 988 км). На глубине 2900 км проходит граница между мантией и внешним ядром, где прослеживается резкий скачок плотности от 5,68 до 9,57 г/см3. С этой отметки и до границы между внешним и внутренним ядром на глубине 5080 км плотность продолжает непрерывно увеличиваться (составляя 11,54 г/см3 на глубине 4830 км). Плотность внутреннего ядра оценивается от 14 до 17 г/см3.
Земля как гигантская доменная печь. Некоторые геологи полагают, что если Земля некогда находилась в расплавленном состоянии, то вполне вероятно, что этот расплавленный материал разделялся на слои разного состава подобно тому, как это происходит в доменной печи, когда на дне скапливается металл, выше - сульфиды, а еще выше - силикаты. Возможно, недра Земли делятся в такой же последовательности на металлическое ядро и сульфидную и силикатную оболочки. Однако никаких признаков сульфидного слоя не было обнаружено.
Состав земной коры. Бльшая часть земной коры не доступна для изучения, потому что она перекрыта более молодыми осадочными породами, скрыта водами морей и океанов и даже если где-то выходит на поверхность, отбор образцов может быть выполнен из относительно небольших толщ. Более того, разнообразие горных пород и минералов и разная степень их участия в строении Земли затрудняют или делают невозможным получение репрезентативных проб. Любые количественные показатели или осредненные данные о химическом и минералогическом составе земной коры представляют грубое приближение к истинной характеристике.
С большей или меньшей степенью достоверности общее представление о химическом составе земной коры было составлено на основании анализа более 5000 проб изверженных (магматических) пород. Установлено, что на 99% она состоит из 12 элементов. Их участие в весовых процентах распределяется следующим образом: кислород (46,6), кремний (27,7), алюминий (8,1), железо (5,0), кальций (3,6), натрий (2,8), магний (2,6), титан (2,1), марганец (0,4), фосфор (0,1), сера и углерод (вместе менее 0,1). Очевидно, что в земной коре преобладает кислород, поэтому 10 наиболее распространенных металлов присутствуют в форме оксидов. Однако обычно минералы, слагающие породы, представлены не простыми, а сложными оксидами, в состав которых входят несколько металлов. Поскольку одним из самых распространенных элементов на Земле является кремний, многие минералы представляют собой разнообразные сложные силикаты. Сочетание минералов в разных количественных пропорциях формирует многообразие горных пород.
Химический состав атмосферы. Современная атмосфера представляет собой результат медленной и продолжительной утраты в ходе вулканической деятельности и других процессов первоначальной атмосферы Земли. Примерно 3,1-2,7 млрд. лет назад с началом выделения больших количеств углекислого газа и водяных паров появились условия для жизнедеятельности первых растений, осуществляющих процесс фотосинтеза. Большие количества кислорода, выделявшиеся в атмосферу растениями, сначала расходовались на окисление металлов, о чем свидетельствует широкое распространение на земном шаре докембрийских железных руд. 1,6 млрд. лет назад содержание свободного кислорода в атмосфере достигло примерно 1% его современного количества, что позволило зародиться примитивным животным организмам. По-видимому, первозданная атмосфера имела восстановительный характер, тогда как современная, вторичная, атмосфера характеризуется окислительными свойствами. Постепенно ее химический состав менялся благодаря продолжающейся вулканической деятельности и эволюции органического мира.
Химический состав океанов. Предполагают, что первоначально на Земле вода отсутствовала. По всей вероятности, современные воды на поверхности Земли имеют вторичное происхождение, т.е. высвободились в виде пара из минералов земной коры и мантии в результате вулканической деятельности, а не были образованы путем соединения свободных молекул кислорода и водорода. Если бы морская вода постепенно накапливалась, то объем Мирового океана должен был бы непрерывно увеличиваться, однако прямые геологические доказательства этого обстоятельства отсутствуют; это означает, что океаны существовали на протяжении всей геологической истории Земли. Изменение химического состава океанических вод происходило постепенно.
Сиаль и сима. Существует разница между породами коры, которые подстилают континенты, и породами, залегающими под дном океанов. Состав континентальной коры соответствует гранодиориту, т.е. породе, состоящей из калиевого и натриевого полевого шпата, кварца и небольших количеств железо-магнезиальных минералов. Океаническая кора соответствует базальтам, состоящим из кальциевого полевого шпата, оливина и пироксена. Породы континентальной коры характеризуются светлой окраской, низкой плотностью и обычно кислым составом, часто их называют сиаль (по преобладанию Si и Al). Породы океанической коры отличаются темной окраской, высокой плотностью и основным составом, их называют сима (по преобладанию Si и Mg). Считается, что породы мантии имеют ультраосновной состав и состоят из оливина и пироксена. В современной российской научной литературе термины "сиаль" и "сима" не используются, т.к. считаются устаревшими.