Земная кора: строение, состав, структурные элементы

1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ

ВНУТРЕННЕГО СТРОЕНИЯ ЗЕМЛИ 
 

   Объектами, которые изучает геология, являются земная кора и литосфера.  Задачи геологии:

• изучение вещественного состава внутренних оболочек Земли;
• изучение внутреннего строения Земли
• изучение закономерностей развития литосферы и земной коры
• изучение истории развития жизни на Земле и др.

   Методы науки включают как  собственно геологические, так  и методы сопряжённых наук (почвоведения, археологии, гляциологии, геоморфологии  и др.). В числе главных методов  можно назвать следующие:

1. Метод полевой геологической съёмки – изучение геологических обнажений, извлеченного при бурении скважин кернового материала, слоев горных пород в шахтах, изверженных вулканических продуктов, непосредственное полевое изучение протекающих на поверхности геологических процессов.
2. Геофизические методы – используются для изучения глубинного строения Земли и литосферы.

     А. Сейсмические методы, основные на изучении скорости                          распространения продольных и поперечных волн, позволили выделить   внутренние оболочки Земли.

     Б. Гравиметрические методы, изучающие вариации силы тяжести на поверхности Земли, позволяют обнаружить положительные и отрицательные гравитационные аномалии и, следовательно, предполагать наличие определенных видов полезных ископаемых.

     В. Палеомагнитный метод изучает ориентировку намагниченных кристаллов в слоях горных пород. Осаждающиеся кристаллы ферромагнитных минералов ориентируются своей длинной осью в соответствии с направлениями силовых линий магнитного поля и знаками намагниченности полюсов Земли. Метод основан на непостоянстве (инверсии) знака полярности магнитных полюсов. Современные знаки намагниченности полюсов (эпоха Брюнес) Земля приобрела 700 000 лет назад. Предыдущая эпоха обратной намагниченности – Матуяма.

3. Астрономические и космические методы основаны на изучении метеоритов, приливно-отливных движений литосферы, а также на исследовании других планет и Земли (из космоса). Позволяют глубже понять суть происходящих на Земле и в космосе процессов.
4. Методы моделирования позволяют в лабораторных условиях воспроизводить (и изучать) геологические процессы.
5. Метод актуализма – протекающие ныне в определённых условиях геологические процессы ведут к образованию определённых комплексных горных пород. Следовательно, наличие в древних слоях таких же пород свидетельствует об определённых, идентичных современных процессах, происходящих в прошлом.
6. Минералогические и петрографические методы изучают минералы и горные породы (поиск полезных ископаемых, восстановление истории развития Земли.)

2. ВНУТРЕННЕЕ  СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ

   Как известно, наши предки обожествляли Землю, называли ее матерью («Мать Сыра Земля»), кормилицей. Но чтобы кормиться от плодов земных, необходимо возделывать почву – пахать, вскапывать, бороновать… И люди, начиная полевые работы, просили прощения у Земли-матушки – за то, что приходится наносить ей раны плугом или лопатой. Со временем человек стал все глубже проникать в земные недра – в поисках воды, руды, угля, нефти. Потом ученые заинтересовались – а что там, в земной глубине, ниже пластов угля и нефтяных бассейнов? И оказалось, что Земля-кормилица не просто огромный шар из камня, песка и глины. Планета Земля имеет очень сложное внутреннее строение. Настолько сложное, что и сейчас, в XXI веке, открыты далеко не все тайны земных глубин.

   Представим себе земной шар… ну, не совсем шар. Точнее совсем не шар. Если подходить строго научно, то придется признать, что Земля имеет довольно сложную форму.

   За два с лишним столетия фигуре Земли присваивалось несколько наименований – сфероид, трехосный эллипсоид… И только во второй половине XX века, после проведения измерений с помощью искусственных спутников, была установлена истинная форма Земли – геоид. Если подбирать сравнения, то ближе всего окажется форма груши. Буквально же слово «геоид» означает «землеподобный».

   Но отклонения Земли настолько незначительны, что для географии, геологии и ряда других наук удобнее считать нашу планету шарообразной. А поэтому представим себе все-таки Земной шар, но с большим надрезом. И тогда станет видно, что наша планета состоит из целого ряда слоев разной толщины. Внешний слой, или оболочка – это земная кора. Этот слой самый тонкий: на материках не более 70 км, а под океанами и того тоньше – до10 км. Земная кора сверху покрыта плодородным слоем, то есть почвой. 

  Средний  слой коры значительней толще – до 40 км. Он состоит из гранита – красивого зернистого камня, из которого делают гладкие полы в общественных местах, массивные стены, большие скульптурные памятники. Нижний слой, толщиной до 30 км, сложен из другой каменной породы – базальта.

   Все эти сведения не означают, что люди смогли спуститься до таких глубин и взять пробы. Даже самые глубокие шахты сегодня не проникают глубже 15 км. Изучение земных недр стало возможно благодаря науке сейсмологии, которая исследует природу землетрясений и пытается их предсказывать. Но ученые-сейсмологи с помощью своих приборов не только регистрируют волны от землетрясений, но заодно определяют глубину и состав слоев земной коры.

   Широко известная модель внутреннего строения Земли (деление ее на ядро, мантию и земную кору) разработана сейсмологами Г. Джеффрисом и Б. Гуттенбергом еще в первой половине XX века. Решающим фактором при этом оказалось обнаружение резкого снижения скорости прохождения сейсмических волн внутри земного шара на глубине 2900 км при радиусе планеты 6371км. Скорость прохождения продольных сейсмических волн непосредственно над указанным рубежом равна 13,6 км/с, а под ним - 8,1 км/с. Это и есть граница мантии и ядра.

   Соответственно радиус ядра составляет 3471 км. Верхней границей мантии служит сейсмический раздел Мохоровичича, выделенный югославским сейсмологом А. Мохоровичичем (1857-1936) еще в 1909 году. Он отделяет земную кору от мантии. На этом рубеже скорости продольных волн, прошедших через земную кору, скачкообразно увеличиваются с 6,7-7,6 до 7,9-8,2 км/с, однако происходит это на разных глубинных уровнях. Под континентами глубина раздела М (то есть подошвы земной коры) составляет первые десятки километров, причем под некоторыми горными сооружениями (Памир, Анды) может достигать 60 км, тогда как под океанскими впадинами, включая и толщу  воды, глубина равна лишь 10-12 км. Вообще же земная кора в этой схеме вырисовывается как тонкая скорлупа, в то время как мантия распространяется в глубину на 45% земного радиуса.

   Но в середине XX века в науку вошли представления о более дробном глубинном строении Земли. На основании новых сейсмологических данных оказалось возможным разделить ядро на внутреннее и внешнее, а мантию - на нижнюю и верхнюю (рис. 1). Эта модель, получившая широкое распространение, используется и в настоящее время. Начало ей положил австралийский сейсмолог К. Е. Буллен, предложивший в начале 40-х годов схему разделения Земли на зоны, которые обозначил буквами: А - земная кора; В - зона в интервале глубин 33-413 км.; С - зона 413-984 км.; D - зона 984-2898 км.; Д - 2898-4982 км, F - 4982-5121 км.; G - 5121-6371 км (центр Земли). Эти зоны отличаются сейсмическими характеристиками. Позднее зону D он разделил на зоны D' (984-2700 км) и D" (2700-2900 км). В настоящее время эта схема значительно видоизменена и лишь слой D" широко используется в литературе. Его главная характеристика - уменьшение градиентов сейсмических скоростей по сравнению с вышележащей областью мантии. 
 
 

   Внутреннее ядро, имеющее радиус 1225 км, твердое и обладает большой плотностью - 12,5 г/см3. Внешнее ядро жидкое, его плотность 10 г/см3. На границе ядра и мантии отмечается резкий скачок не только в скорости продольных волн, но и в плотности. В мантии она снижается до 5,5 г/см3. Слой D", находящийся в непосредственном соприкосновении с внешним ядром, испытывает его влияние, поскольку температуры в ядре значительно превышают температуры мантии. Местами данный слой порождает огромные, направленные к поверхности Земли сквозь мантийные тепломассопотоки, называемые плюмами. Они могут проявляться на планете в виде крупных вулканических областей, как,  например, на Гавайских островах, в Исландии и других регионах.

   Верхняя граница слоя D" неопределенна; ее уровень от поверхности ядра может варьировать от 200 до 500 км и более. Таким образом, можно заключить, что данный слой отражает неравномерное и разно интенсивное поступление энергии ядра в область мантии.

   Границей нижней и верхней мантии в рассматриваемой схеме служит сейсмический раздел, лежащий на глубине 670 км. Он имеет глобальное распространение и обосновывается скачком сейсмических скоростей в сторону их увеличения, а также возрастанием плотности вещества нижней мантии. Этот раздел является также и границей изменений минерального состава пород в мантии.

   Таким образом, нижняя мантия, заключенная между глубинами 670 и 2900 км, простирается по радиусу Земли на 2230 км. Верхняя мантия имеет хорошо фиксирующийся внутренний сейсмический раздел, проходящий на глубине 410 км. При переходе этой границы сверху вниз сейсмические скорости резко возрастают. Здесь, как и на нижней границе верхней мантии, происходят существенные минеральные преобразования.

Верхнюю часть верхней мантии и земную кору слитно выделяют как литосферу, являющуюся верхней твердой оболочкой  Земли. Благодаря теории тектоники  литосферных плит термин "литосфера" получил широчайшее распространение. Теория предполагает движение плит по астеносфере - размягченном, частично, возможно, жидком глубинном слое пониженной вязкости. Однако сейсмология не показывает выдержанной в пространстве астеносферы. Для многих областей выявлены несколько астеносферных слоев, расположенных по вертикали, а также прерывистость их по горизонтали. Особенно определенно их чередование фиксируется в пределах континентов, где глубина залегания астеносферных слоев (линз) варьирует от 100 км до многих сотен.

   Под океанскими абиссальными впадинами астеносферный слой лежит на глубинах 70-80 км и менее. Соответственно нижняя граница литосферы фактически является неопределенной, а это создает большие трудности для теории кинематики литосферных плит, что и отмечается многими исследователями.

   Таковы основы представлений о строении Земли, сложившиеся к настоящему времени. Далее обратимся к новейшим данным в отношении глубинных сейсмических рубежей, представляющих важнейшую информацию о внутреннем строении планеты.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. ЗЕМНАЯ  КОРА (ТИПЫ ЗЕМНОЙ КОРЫ)

   Земная кора - это верхняя оболочка Земли, сложенная магматическими, метаморфическими и осадочными породами, мощностью от 7 до 70 - 80 км. Это наиболее активный слой Земли. Для нее характерен магматизм и проявления тектонических процессов. Нижняя граница земной коры симметрична поверхности Земли. Под материками она глубоко опускается в мантию, и под океанами приближается к поверхности. Земная кора с верхней мантией до верхней границы астеносферы ( т.е. без астеносферы) образует литосферу.

   В вертикальном строении земной коры выделяют три слоя, сложенных различными по составу, свойствам и происхождению породам.                                                                                                                         

   1 слой - верхний или осадочный (стратосфера) сложен осадочными и вулканогенно-осадочными породами, глинами, глиняными сланцами, песчаными, вулканогенными и карбонатными породами. Слой покрывает почти всю поверхность Земли. Мощность в глубоких впадинах достигает 20 - 25 км., в среднем - 3 км.

   2 слой - средний или гранитный (гранито-гнейсовый), породы имеют сходство со свойствами гранитов. Сложена: гнейсами, гранодиоритами, диоритами, окализами, а так же габбро, мраморами, селенитами и др.                                                                               Породы этого слоя разнообразны по составу и степени их дислоцированности. Они могут быть неизменными и метаморфизованными. Нижняя граница гранитного слоя называется сейсмический раздел Конрада. Мощность слоя - от 6 до 40 км. На отдельных участках Земли этот слой отсутствует.                                                                                                        

   3 слой - нижний, базальтовый состоит из более тяжелых пород, которые по свойствам близки к магматическим породам, базальтам.                                                                            В отдельных местах между базальтовым слоем и мантией залегает так называемый эклогитовый слой с более высокой плотностью, чем базальтовый. Средняя мощность слоя в континентальной части ~ 20 км. Под горными хребтами достигает 30 - 40 км., а под впадинами снижается до 12 - 13 и 5-7 км.

  Выделяют три типа земной коры:

• континентальная или материковая
• океаническая
• переходная