Нижние слои литосферы

Литосфера — каменная оболочка Земли, включающая земную кору и часть верхней мантии, простирается до атеносферы и имеет мощность 150−200 км.

В состав биосферы входит земная кора, включая осадочный, «гранитный», «базальтовый» слои, которые и отделяются от верхней мантии границей биосферы.

Формирование и открытие ядра Земли

Механизм и время формирования земного ядра — один из наиболее трудных и наименее проработанных вопросов в сценариях эволюции Земли. Образование ядра можно отнести к событиям катастрофического типа. Энергия, выделяющаяся в ударных процессах в период аккреции планет, была, вероятно, достаточна для частичного проплавления планеты. Поскольку температура плавления железа и его сплавов ниже, чем силикатов, расплавленный металл мог отделяться от окружающего материала и опускаться к центру планеты, формируя ядро. При этом выделялась гравитационная энергия, дополнительно нагревающая планету на сотни градусов и вследствие этого препятствующая вхождению сильно летучих элементов в состав металла.

В литературе рассматривались различные сценарии такого процесса. По одной из схем жидкие фракции железа или его сплавов, опускаясь в частично расплавленном силикатном материале (магматический океан) и сливаясь, формировали слой расплава, образующегося в тех участках планеты (как правило, в верхней мантии), в которых достигалась температура плавления металла. Вследствие гравитационной неустойчивости жидкого металлического слоя, последний либо целиком проваливался к центру планеты, либо распадался на несколько достаточно крупных капель, которые опускались к центру и образовали протоядро. Другой сценарий предполагает возникновение термических неоднородностей не только в верхней, но и в нижней мантии за счет ударов наиболее массивных крупных тел в период аккреции и приводит к гипотезе частичного проплавления нижней мантии, дифференциация которой сопровождалась выделением ядра на ранней стадии эволюции Земли.

Интерпретация данных по изотопии системы Hf-W позволяет предположить, что формирование ядра происходило очень быстро — за период 50−70 млн лет после начала аккреции. Последующее охлаждение планеты приводило к кристаллизации железа во внешнем ядре и росту внутреннего твердого ядра за время порядка 2 млрд лет.

Уже в 1896 г. Е. Вихертом на основе данных по каменным и железным метеоритам было высказано предположение, что Земля состоит из внешней оболочки (мантии), окружающей более плотное металлическое ядро. В 1906 г. Р. Олдхэм привел первое сейсмологическое доказательство существования центрального ядра и дал грубую оценку его радиуса ~1600 км. Позднее крупнейшие геофизики ХХ в. Б. Гутенберг и Х. Джеффрис подтвердили наличие центрального ядра и довольно точно оценили его размеры. По современным геофизическим данным радиус ядра Земли оценивается равным 3480−3485 км.

Было установлено, что на границе между мантией и ядром происходит скачкообразное увеличение плотности (с 5,55 до 9,9 г/смі), сопровождающееся резким уменьшением скорости распространения продольных волн (с 13,7 км/с в подошве мантии до 8 км/с в кровле ядра), и показано, что эта поверхность раздела не пропускает поперечные волны. По этой причине внешнее ядро считается жидким, поскольку модуль сдвига жидких сред равен нулю.

Существование магнитного поля Земли также указывает на жидкое агрегатное состояние внешнего ядра. В 1936 г. датский геофизик И. Леманн, интерпретируя сейсмологические данные, пришла к выводу о зональном строении ядра и, тем самым, к открытию небольшого внутреннего ядра. Эти исследования приводят к выводу, что внутреннее ядро радиусом около 1220 км и, занимающее менее 1% объема и 2% массы Земли, является твердым. Оказалось также, что скорость распространения продольных волн на 3−4% больше вдоль полярной оси, нежели в экваториальном плане (сейсмическая анизотропия). Вероятное объяснение анизотропии внутреннего ядра может быть связано с пластической деформацией железа (основной компоненты ядра), обнаруженной в экспериментах при давлениях свыше 2 Мбар.