Планета Земля, ее строение, состав и история развития

Образование, строение и состав Земли

Наша планета образовалась путем слипания разных по размеру частичек космического вещества. Эти частички называют планетезималями. Предполагается, что такой процесс происходил очень быстро и частицы слипались, как в снежном коме. Чем «ком» становился больше, тем скорее рос. За 100 млн лет Земля практически была сформирована в существующих размерах и объемах.

Известно, что Земля состоит из нескольких сферических оболочек — земной коры, мантии, внешнего и внутреннего ядер, — обладающих разным составом слагающего их вещества.

Считают, что в ядре должно присутствовать много железа и никеля, иначе трудно объяснить расчетную среднюю плотность Земли в 5,5 г/см³, а мантия должна состоять из силикатов.

Остается не очень ясным, когда произошло образование этих оболочек: после образования Земли (4,6 млрд лет назад) или в процессе ее формирования сначала слипались более тяжелые частицы, содержащие железо и никель, а потом более легкие, силикатные. Эти два процесса получили названия гомогенной и гетерогенной аккреции. В настоящее время предпочтение отдают гетерогенной аккреции.

Человека всегда занимал вопрос: а что же находится внутри Земли? Еще в XIX в. были распространены предположения о подземных «океанах» магмы, т. е. расплавленной горной породы, которые располагаются под твердой внешней оболочкой, а что там творится ниже и в центре Земли, никто и не представлял себе.

Сейчас мы много знаем о внутреннем строении Земли, несмотря на то что самая глубокая скважина в мире, пробуренная в России на Кольском полуострове прошла всего лишь 12 км 240 м. Каким же образом геологи узнают, что находится в глубинах Земли?

В первую очередь мы обязаны нашими знаниями сейсмическому методу исследований. Любое землетрясение, любой крупный промышленный взрыв, особенно подземный ядерный, вызывает в недрах Земли сейсмические волны, или деформацию горных пород. Эти волны деформаций распространяются во все стороны от места возникновения землетрясения, его очага, или гипоцентра. Волны бывают объемными, или поверхностными. Именно они, достигая верхних частей земной коры, производят катастрофические разрушения городов и поселков. Объемные волны, т. е. волны, распространяющиеся в некотором объеме вещества, подразделяют на продольные и поперечные. В продольной волне сжатие-растяжение, подобно мехам гармошки, распространяется вдоль направления движения волны, а в поперечной — поперек этого направления. Продольная волна более скоростная, а поперечная медленная. Очень важно, что продольные волны распространяются как в твердых, так и в жидких телах, а поперечные — только в твердых, они не проходят через жидкие или газообразные вещества.

После каждого сильного землетрясения, а они случаются часто, различные сейсмические волны пронизывают земной шар во всех направлениях, и он долго «гудит, как колокол», по образному выражению одного известного геофизика. Проходя по разным горным породам на различных глубинах, волны, наконец, достигают поверхности Земли; их скорость на разных глубинах может быть измерена специальными приборами — сейсмографами, принцип действия которых довольно прост (рис. 2.1). Результат этих измерений выражается так называемой сейсмограммой, которую специалист может легко расшифровать, так же как врач кардиограмму (рис. 2.2).

Реальная скорость распространения сейсмических волн зависит от упругих свойств и плотности горных пород. Изменение скорости прохождения этих волн свидетельствует о неоднородности недр Земли. На этом основании Землю подразделяют на несколько зон, или оболочек, из которых выделяют три главные (рис. 2.3).

• 1. Земная кора — самая верхняя оболочка Земли, мощность (толщина) которой изменяется от б—10 км под океанами до 20—70 км под горными сооружениями типа Гималаев или Анд.
• 2. Мантия Земли (распространяется до глубин в 2900 км), сложенная твердыми горными породами и подразделяющаяся на верхнюю и нижнюю мантию границей в 670 км.
• 3. Ядро Земли, подразделяемое на внешнее (до глубины 5100 км) и внутреннее (5100—6371 км). Важно

Рис. 2.1. Принцип действия вертикального (а) и горизонтального (б) сейсмографов. Обратите внимание, что груз всегда находится на одной высоте в вертикальном сейсмографе и в одной плоскости — в горизонтальном отметить, что вещество, слагающее внешнее ядро, в отличие от вещества мантии и внутреннего ядра, обладает свойствами жидкости, так как через внешнее ядро не проходят поперечные сейсмические волны. Это свойство внешнего ядра играет большую роль в образовании магнитного поля Земли.

Итак, Земля состоит из нескольких сферических оболочек, отличающихся скоростями распространения сейсмических волн. Но, конечно, строение Земли гораздо сложнее, особенно верхней мантии, в которой выделяется слой с пониженными скоростями распространения сей;

Рис. 2.2. Сейсмограммы, записанные на Каркаралинской сейсмической станции: а — подземный атомный взрыв в Неваде 18 июля 1986 г.; б — землетрясение в Афганистане 18 июля 1988 г.; в — промышленный взрыв смических волн на глубинах от 10—20 км под океанами и до 250—400 км под континентами. Незначительное уменьшение скоростей прохождения волн может быть вызвано более высокой температурой слоя, называемого астеносферой (от греч. astenes — слабый, spharia — шар). Он может быть даже немного расплавлен — всего лишь на 1—2%. Все, что располагается выше астеносферы, называют литосферой (от греч. lithos — камень, spharia — шар). В нее включают часть верхней мантии и земную кору. Именно литосферные плиты способны перемещаться в горизонтальном направлении; именно в них располагаются все очаги землетрясений и магматические камеры, питающие вулканы.

Рис. 2.3. Внутреннее строение Земли. На врезке показана увеличенная близповерхностная часть.

Вопросы

• 1. Что представляет собой сейсмический метод исследований?
• 2. Какие бывают сейсмические волны?
• 3. Как происходит деформация в продольных и поперечных сейсмических волнах?
• 4. От чего зависит скорость распространения сейсмических волн?
• 5. Как регистрируют скорость распространения сейсмических волн, пронизывающих земной шар?
• 6. Какие выделяют основные оболочки Земли?
• 7. Что такое астеносфера и литосфера?
• —ВЫВОДЫ —

Земля состоит из нескольких сферических оболочек: земной коры, мантии, внешнего (жидкого) и внутреннего (твердого) ядра. Внутреннее строение Земли изучают сейсмическим методом, основанным на исследовании характера распространения волн деформации, возбуждаемых землетрясениями.

КАК МОЖНО «ПРОСВЕТИТЬ» ЗЕМЛЮ

Самая глубокая скважина на Земле расположена в России на Кольском полуострове. Она прошла по горным породам всего 12 км 240 м. И это было выдающимся техническим достижением. А радиус Земли — 6731 км! Каким же образом можно узнать о том, что делается в мантии Земли до глубины 2900 км, ниже которой уже начинается внешнее ядро, обладающее свойствами жидкости? Еще в 60-е гг. XX в. геофизиком К. Е. Булленом была создана некая стандартная модель оболочечного строения Земли, в которой границы сфер, или оболочек, выделялись на основании изменения скоростей сейсмических волн от землетрясений.

В последние десятилетия число сейсмических станций в мире многократно увеличилось, а следовательно, гораздо больше стал поток информации о скоростях прохождения сейсмических волн на глубине. Одновременно появились быстродействующие компьютеры, способные производить громадные по объему вычисления, ранее недоступные. Возникла возможность гораздо точнее, чем это было раньше, улавливать отклонения всего в 1—5% в скорости прохождения волн на глубине. Появилась также возможность суммировать значения различных волн, ^! проходящих через какую-либо неоднородность внутри Земли, как бы «просветить» ее с разных сторон и тем самым получить ее объемное, трехмерное изображение. Такой метод исследования внутреннего строения Земли называют сейсмической томографией, так как он позволяет выделять многочисленные срезы структур, сложив которые мы получаем ее объемное изображение.

Благодаря этому методу удалось получить чрезвычайно интересную и во многом неожиданную картину внутреннего строения мантии, в которой выделяются участки «медленной», т. е. горячей и «быстрой», т. е. относительно холодной мантии.

Подтвердилась теория тектоники литосферных плит, так как холодные тяжелые пластины океанической коры, погружающиеся под более легкую континентальную кору, оказались прекрасно видимыми в томографическом изображении. Под Исландией — островом вулканов и ледников — выявился огромный нагретый «столб» в мантии, уходящий до глубин 400 км. И еще масса интересных особенностей строения глубоких частей Земли была установлена при помощи сейсмической томографии — этого своеобразного «рентгена».