Строение и физические свойства недр Земли

Глава 1. СТРОЕНИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЗЕМНЫХ НЕДР

Строение и  физические характеристики недр Земли  изучаются преимущественно опосредственно, с помощью анализа скорости прохождения упругих колебаний (продольных - V_p и поперечных - V_s). Совершенствование сейсмологических и сейсмических методов, в частности, появление метода сейсмической томографии, позволило получить важные данные о строении и физических свойствах мантии и ядра Земли.

Большой вклад  в познание строения, физических свойств  и состояния вещества глубинных недр вносят аналитические лабораторные исследования, моделирование поведения различных пород и минералов в условиях сверхвысоких давлений и температур, а также данных по метеоритам и сравнительной планетологии.

Непосредственному изучению доступны лишь верхние горизонты земной коры, куда достигают сверхглубокие скважины на континентах или скважины глубоководного бурения в морях и океанах. В основном же наши знания о земных недрах основываются на косвенных методах исследования, что предопределяет известную условность и неоднозначность наших представлений. Поэтому в геологии часто используют метод составления моделей внутреннего строения Земли, т.е. наглядных картин строения изучаемого объекта. Модели отражают не столько истину, сколько уровень наших знаний. Поэтому они не постоянны, а меняются со временем в зависимости от получения новых фактов.

Наше познание внутреннего строения Земли идёт в сторону его детализации, выделения  новых геосфер, ранее остававшихся в тени неизвестности. В основе современных моделей нового поколения лежат данные сейсмотомографии, на основании которых построены глобальные сейсмотомографические карты для различных уровней земного шара, отражающие сейсмическую неоднородность недр. В частности, японскими учёными составлены карты для 14 уровней, американскими - для 12 уровней. Анализ карт позволил установить многоуровневые сейсмические неоднородности в мантии, в то же время обнаружить известное подобие аномальных ареалов между смежными картами. На основании этих и других современных дан- Ю.М Пущаровским предлагается новая модель строения мантии, в которой выделено шесть геосфер: верхняя часть верхней мантии - до глубины 410 км, нижняя часть верхней мантии — до рубежа 670 км; зона раздела I между верхней и средней мантией (670-840 км); средняя мантия (840-1700 км); зона раздела II, отделяющая среднюю мантию от нижней (1700-2200 км), нижняя мантия (1700-2900 км). В основании последней выделяется слой D", но в отличие от ранее принятых границ этого слоя 2700*2900 км, высказывается мысль о неопределённости его верхней границы и допускается в ряде случаев её существенное повышение чуть ли не до кровли самой нижней мантии.

Новая модель внутреннего  строения Земли существенно отличается от традиционных. Меняется количество геосфер, появляются новые геосферы, изменяется положение границ раздела. Автор новой модели указывает, что приведённые им границы раздела следует рассматривать как ориентиры, отклонения возможны до 10% (рис. 1).

I.Земная кора

Это верхняя  оболочка Земли, отделённая от нижерасположённой  мантии поверхностью Мохоровичича (Мохо). На этой границе скорость сейсмических волн скачкообразно возрастает от 7,5-7,7 км/с до 8,0-8,2 км/с. Масса земной коры составляет 0,48% от массы Земли.

В её составе  преобладают легкоплавкие силикаты (преимущественно алюмосиликаты). В элементном составе превалируют кислород (49,13%), кремний (26%) и алюминий (7,45%).

В зависимости  от особенностей строения выделяют три  типа земной коры: континентальный, океанический и промежуточный.

Континентальная кора отличается наличием в своём составе мощного гранито-гнейсового (гранито-метаморфического) слоя, плотность слагающих его пород — 2,58+2,64 г/см³, а скорость сейсмических волн — 5,5-5-6,3 км/с. С поверхности гранито-гнейсовый слой перекрыт осадочным слоем, а подстилается гранулито- базитовым (гранулито-эклогитовым) слоем с плотностью пород 2,8+3,1 г/см³ и пластовой скоростью до 7,4 км/с. Гранито-гнейсовый и гранулито-базитовый слой образуют консолидированную кору.

Современная модель консолидированной континентальной  коры предусматривает не двух-, а  трёхслойное её строение. Так, по Н.И.Павленковой и И.П.Косминской, в строении консолидированной коры континентов выделяют (рис. 2)

Первый (верхний слой), мощностью 8-15 км, который отличается нарастанием скорости сейсмических волн с глубиной, блоково- стью строения, наличием многочисленных трещин и разломов. Его ^подошва со скоростями 6,1-6,5 км/с определяется как граница К₁. По мнению ряда учёных, верхний слой консолидированной коры соответствует гранитно-метаморфическому слою в двуслойной модели консолидированной коры.

Второй (средний) слой до глубин 20-25 км (иногда до 30 км) характеризуется некоторым снижением скорости упругих волн (порядка 6,4 км/с), отсутствием градиентов скоростей. Его подошва выделяется как граница К₂. Считается, что второй слой сложен породами типа базальтов, поэтому его можно отождествлять с «базальтовым» слоем коры традиционной модели.

Третий (нижний) слой, прослеживающийся до подошвы  коры, высокоскоростной (от 6,8 до 7,7 км/с). Для него присуща тонкая рас- слоенность и увеличение с глубиной градиента  скорости. Он представлен ультраосновными породами, поэтому его нельзя относить к «базальтовому» слою коры. Предполагают, что он является продуктом преобразования вещества верхней мантии, своеобразной зоной её выветривания (Н.И.Павленкова). В традиционной модели строения коры средний и нижний слои соответствуют гранулито-базитовому слою консолидированной континентальной коры. Океаническая кора состоит из трёх слоев: первого (осадочного), второго (базальтового) и третьего (габбро-серпентинитового).

Первый (осадочный) слой с поверхности покрывает дно морей и океанов. Плотность осадков около 2 г/см³, а скорость распространения сейсмических волн варьирует от 1,5 до 2,5 км/с. Образование осадочного слоя океанов происходит, главным образом, за счёт выноса осадочных веществ реками с континентов (19,5 млрд. т в год), собственного океанического осадконакопления (1,8 млрд. т в год) и вулканической деятельности (1,7 млрд. т в год). В меньшем масштабе осадочный материал поставляется в Мировой океан ледниками, морской абразией, деятельностью ветра.

Стратиграфический диапазон осадочного слоя океанической коры находится в интервале от позднеюрского (самые древние осадочные породы, вскрытые в океанах скважинами) до голоценового возраста.

Наименьшая  мощность слоя наблюдается в пределах срединно- океанических хребтов. Обычно осадки (не более 100 м) заполняют карманы  между горными пиками. В пределах океанического ложа мощность осадочного слоя не превышает 500 м. Осадки распределены оптимально равномерно возрастая до нескольких километров по направлению к континентам и в глубоководных желобах.

Второй (базальтовый) слой сложен чередованием базальтовых лавовых потоков, брекчий, вулканических пеплов и долеритовых  даек. Такая разнородность слоя определяет и резкие колебания скоростей продольных сейсмических волн от 2,2 до 5,5 км/с. Формирование верхней части слоя происходило в условиях подводного вулканизма, о чём свидетельствуют шаровидные поверхности базальтовых потоков. Базальты имеют толеитовый состав, а на вулканических островах распространены щелочные базальтоиды с меньшим содержанием кремнезёма, оксидов кальция и магния. В нижней части базальтового слоя располагаются долеритовые дайки - система субвертикальных трещин, которые в своё время служили подводящими каналами для базальтовых лав, изливавшихся на океаническое дно. Базальтовый слой является акустической границей с вышележащими осадками. Поэтому его рассматривают как акустический фундамент осадочной толщи океанов. Мощность слоя варьирует от 1,5+2 км в районах подводных поднятий, до 0-500 м в наиболее глубоководных впадинах.

Третий (габбро-серпентинитовый) слой — фундамент  океанической коры. Он прослеживается стабильно во всех частях океанов.Слой характеризуется постоянством мощности (5-6 км) и скоростью распространения сейсмических волн в пределах 6,4-7,2 км/с. Данные драгирования океанического дна в узких и глубоких расщелинах показывают, что верхняя часть третьего слоя представлена габбро, которые образовались при медленной кристаллизации толеито- вых базальтовых расплавов в магматическом очаге, питающим риф- товые зоны океанов. Нижняя часть состоит из серпентинитов, возникших при гидратации ультраосновных пород мантии океаническими водами, проникающими вглубь по трещинам литосферы.

Промежуточная кора выделяется по предложению И.Л. Косминской. Для неё характерны признаки как континентальной, так и океанической коры, в связи с чем различают два подтипа: субконтинентальный и субокеанический.

Субконтинентальная кора характерна для некоторых островных дуг. В её строении присутствуют осадочный, «гранитный» и «базальтовый» слои. «Гранитный» слой, в отличие от континентов, существенно сокращён по мощности. Более того, он не имеет резкой границы с нижерасположенным «базальтовым» слоем. Общая мощность субконтинентальной коры 30-35 км.

Субокеаническая кора присуща окраинным и некоторым внутриконтинентальным морям. По своему строению она тождественна океанической коре, но отличается значительно увеличенной мощностью осадочного слоя (до 20 км). «Гранитный» слой практически отсутствует и происходит как бы постепенное уплотнение осадочных пород с глубиной. Мощность субокеанической коры 30-35 км.

Химический  состав земной коры отличается от состава  нижележащих оболочек и метеоритного вещества повышенной концентрацией кислорода, кремнезёма, щелочных металлов, большинства редких элементов и пониженным содержанием магния и элементов группы железа (Fe, Со, Ni, Сг). Считают, что вещество земной коры образовалось из мантии за счёт выплавления и дегазации. По данным А.Б.Ронова и А.А.Ярошевского, общая масса вещества, вынесенного из мантии в материковую кору, составляет 22,37-10²⁴ г, а в океаническую — 6,09-10²⁴ г.

Поверхности раздела земной коры. Наиболее хорошо изучена в структурном отношении земная кора континентов, где она характеризуется расслоенностью (свойство деламинации). По сейсмическим данным в её пределах выделяются две основные поверхности раздела: кровля консолидированной коры — поверхность фундамента, и её подошва - поверхность Мохоровичича. Кроме того, внутри континентальной коры выделяются поверхности Конрада (К₁ и К₂) и ряд зон пониженных сейсмических скоростей (волноводы).

Поверхность фундамента особенно чётко  выделяется в пределах континентальных  платформ, занимающих 85-90% площади континентов. Она проводится по смене осадочных пород гранитно- метаморфическим комплексом. Граница чётко фиксируется по сейсмическим данным. Если в осадочном слое продольные волны имеют скорость 2,0-5,0 км/с, то в первом слое консолидированной коры они возрастают до 6,0-6,5 км/с. Исследования последних лет (М.Г.Леонов и др., 2000) показали, что эта граница не постоянна во времени, а способна мигрировать вверх, поглощая и включая в состав фундамента новые комплексы за счёт переработки отложений низов осадочного слоя. Это явление получило название вертикальной аккреции. М.Г.Леонов и его соавторы понимают это как прогрессивное наращивание гранито-метаморфического слоя консолидированной коры континентов под влиянием гранитизации нижних секций осадочного чехла платформ. Преобразующим фактором выступает метасоматический метаморфизм, возникающий под действием глубинных эманаций (флюидных потоков, газов). Происходит привнос в первично-осадочные породы соединений, типичных для гранитов (прежде всего К₂0, Na₂0, А1₂0₃ и т.д.). При этом фоновый температурный режим не достигает точки плавления пород, а гранитизация ограничивается метасоматическими преобразованиями среды, основной объём которой находится в субсолидусном состоянии. Преобразованная (гранитизированная) среда приобретает сравнительно повышенную проницаемость, расслоенность, способность к пластическому течению (реидная деформация).

В результате гранитизации наращивается первый (гранито- метаморфический) слой консолидированной коры континентов  за счёт нижних секций осадочного чехла. Процесс вертикальной аккреции повторяется неоднократно и граница «чехол-фундамент» перемещается вверх по разрезу. По мнению М.Г. Леонова, это приводит к возникновению «псевдослоистой» структуры фундамента (гранито-метаморфического слоя) с некими «поверхностями-фантомами».

Изложенная трактовка фундамента платформенных областей ₄ континентов позволяет его рассматривать как новый резервуарный слой коры, способный вмещать и отдавать жидкий и газообразный флюид, подобно осадочному слою.

Поверхность Мохо (поверхность М) чётко  отбивается скачком скоростей продольных волн от 7,5-^-7,7 км/с, до 8,СН-8,2 км/с. В океане она отвечает переходу от габбро-серпентинитового (полосчатого) слоя, с преобладанием габброидов, к перидотитам.

Сейсмические материалы, собранные  к концу 70^ы годов прошлого столетия, позволили геофизикам обосновать представления о том, что в пределах континентов поверхность Мохо является неким переходным слоем от коры к мантии. Обычно в его пределах отбивается два и даже более сейсмически адекватных раздела М. располагающихся друг над другом с разницей по глубине иногда до 8-40 км. В.Б. Соллогубом была высказана идея о разновозрастности этих «дубликатов» поверхности М. Так, в Карпатах им выделяется три раздела М на глубинах: 4(Н45 км (мезозойско-кайнозойского возраста), 55-ЧЮ км (рифей-раннепалеозойского возраста) и 60+-65 км (раннепротерозойского возраста). По его мнению, в переходной зоне происходит перемешивание мантийного и корового материала с нарастанием мантийной компоненты с глубиной. К этой мысли пришли и европейские геофизики в конце 90^ых гордов прошлого столетия, утверждая, что граница Мохо должна рассматриваться как зона тонкого переслаивания пород с мантийными и коровыми свойствами, и что по этой зоне происходит автономное перемещение ние коры относительно мантии в глобальном масштабе. Наиболее вероятны такие срывы в обстановке коллизионных горноскладчатых областей, континентальных рифтов и трансформных разломов.

Внутри континентальной  коры выделяется несколько внутренних поверхностей раздела. Большинство из них не имеют непрерывного распространения, а развиты лишь в пределах отдельных регионов. Наиболее устойчивы две поверхности: Ki и Кг. Граница Кь как уже указывалось, является подошвой верхнего слоя консолидированной коры платформ с характерными скоростями 6,1+6,5 км/с. Граница Кг делит второй и третий слои коры континентов. Она выражена менее чётко, чем поверхность К₁.

В пределах континентальной  коры выделяется несколько слоёв  с пониженной скоростью сейсмических волн (волноводы). Впервые идею о  возможности существования в  земной коре слоёв с пониженной скоростью сейсмических волн высказал Б. Гутенберг в 1951 г. Последующие сейсмические исследования это подтвердили. Наиболее распространены «волноводы» в «гранитном» слое коры на глубине от 8+10 до 15+20 км. В ряде районов (Закарпатский прогиб, Богемский массив, Карпаты, Рейнский грабен и др.) волновод установлен в нижней части «базальтового» слоя.