Введение. 
Литосфера: общая характеристика

Литосфера (от греч. — камень и — шар, сфера) — это внешняя твёрдая оболочка Земли, состоящая из земной коры и части верхней мантии. Термин «литосфера» был введён американским геологом Дж.Баррелом.

Нижняя граница литосферы Земли нечёткая и определяется резким уменьшением вязкости пород, понижением скорости распространения сейсмических волн и увеличением электропроводности пород. Эта область получила название «астеносфера» (от др.-греч. asthees — слабый и др.-греч.) и является верхним пластичным слоем в верхней мантии Земли.

Верхняя граница литосферы ограничена гидросферой и атмосферой.

Мощность литосферы составляет от 5 до 200 км. Наименьшая она под рифтами — центральными зонами срединно-океанических хребтов в которых формируется океаническая земная кора, наибольшая — над кратонами — древними ядрами материков. Таким образом наименьшую толщину литосфера имеет над наиболее нагретыми участками, в частности из трещин рифтовых зон довольно часто происходят излияния базальтов, а наибольшую — над наиболее холодными, теми где мантия залегает наиболее глубоко от поверхности Земли.

Литосфера неоднородна по своему строению. В ней выделяют два слоя, по реакции на длительно действующие нагрузки. Верхний слой литосферы — упругий и включают в себя земную кору. Нижний — пластичный, включающий в себя часть верхней мантии. Кроме того по всей толщине литосферы встречаются горизонты с пониженной вязкостью, по которым происходит проскальзывание разных литосферных слоёв. Это явление получило название расслоенности литосферы.

В составе литосферы Земли выделяют подвижные области — складчатые пояса и относительно стабильные платформы, которые перемещаются по астеносфере.

Литосфера Земли состоит из двух слоев: земной коры и части верхней мантии. Границей между ними является т.н. граница Мохоровичича, выделяемая на основании увеличения скорости распространения продольных сейсмических волн и плотности вещества.

Земная кора — это верхняя твёрдая оболочка Земли. Кора не является уникальным образованием, присущим только Земле, т.к. есть на большинстве планет земной группы, спутнике Земли — Луне и спутниках планет-гигантов: Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Однако только на Земле кора бывает двух типов: океанической и континентальной. В пограничных областях развивается земная кора промежуточного типа — субконтинентальная или субокеаническая, формирующаяся, например, в зонах островных дуг. В зонах срединно-океанических хребтов можно выделить кору рифтогенного типа, в связи с отсутствием в этих зонах габбро-серпентинитового слоя и близким положением астеносферы.

Океаническая земная кора состоит из трёх слоёв: верхнего осадочного, промежуточного базальтового и нижнего габбро-серпентинитового, который до последнего времени включался в состав базальтового.

Толщина её составляет от 2 км в зонах срединно-океанических хребтов до 130 км в зонах субдукции, где океаническая кора погружается в мантию. Связано данное различие с тем, что в зонах срединно-океанических хребтов океаническая кора образуется, по мере удаления от хребтов её мощность возрастает, редко превышая значение в 7 км, достигая максимума в зонах погружения коры в верхнюю мантию. Наибольшее количество зон субдукции приходится на Тихий океан; с ними связывают мощные моретрясения.

Осадочный слой, покрывающий расплав невелик: его толщина редко превышает 0,5 км, лишь вблизи дельт крупных рек достигая толщины в 10−12 км. Состоит осадочный слой из песка, отложений остатков животных и осаждённых минералов. В его основании часто залегают тонкие не выдержанные по простиранию металлоносные осадки с преобладанием оксидов железа. Нижняя часть слоя сложена карбонатными породами, которые на больших глубинах не обнаруживаются, в связи с растворением при большом давлении раковин фораминифер и кокколитофорид, слагающих карбонатные породы. На глубинах превышающих 4,5 км карбонатные породы замещаются красными глубоководными глинами и кремнистыми илами.

Базальтовый слой в верхней части сложен базальтовыми лавами толеитового состава, которые называют ещё подушечными из-за характерной формы. Ниже лежит дайковый комплекс, образованный долеритовыми дайками. Дайки представляют собой каналы, по которым базальтовая лава изливалась на поверхность. По этой причине базальтовый слой обнажается во многих местах примыкающих к срединно-океаническим хребтам.

В зонах субдукции базальтовый слой превращается в экголиты, которые имея плотность больше чем окружающие перидотиты (самые распространённые мантийные породы) погружаются в глубину. Масса экголитов в настоящее время составляет около 7% от массы всей мантии Земли.

Габбро-серпентинитовый слой лежит непосредственно над верхней мантии. В его составе выделяются габброиды и серпентинизированный перидотит, образующиеся соответственно при медленной кристаллизации базальтовых расплавов в магматическом очаге и при гидратации основных пород мантии по трещинам литосферы. Мощность слоя составляет 3−6 км; он прослеживается во всех океанах. Скорости продольных сейсмических волн в пределах слоя составляют 6,5−7 км/сек.

Возраст океанической земной коры в среднем составляет 100 млн. лет. Самые старые участки океанической земной коры имеют возраст 156 млн. лет (поздняя юра) и располагаются во впадине Пиджафета в Тихом океане.

Столь молодой возраст объясняется постоянным образованием и поглощением океанической коры. Ежегодно в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов в результате происходящей под ними сепарации базальтовой лавы и её излияния на поверхность океанического дна образуется 24 км³ магматических пород массой 70 млрд. тонн. Если учесть, что общая масса океанической земной коры согласно расчётам составляет 5,9Ч1018 тонн, то получается, что вся океаническая кора обновляется за 100 млн. лет, что и принимается за её средний возраст. Толщина океанической земной коры со временем практически не меняется, в связи с построением её из выделившегося расплава.

Океаническая земная кора сосредоточена не только в пределах ложа Мирового океана. Небольшие древние её участки известны в закрытых бассейнах, примером которых может служить северная впадина Каспийского моря. Общая площадь океанической земной коры составляет 306 млн. км2.

Континентальная земная кора, как видно из названия, лежит под континентами Земли и крупными островами. В отличие от океанической континентальная земная кора состоит из трёх слоёв: верхнего осадочного, среднего гранитного и нижнего базальтового. Толщина подобного типа земной коры под молодыми горами достигает 75 км, под равнинами составляет от 35 до 45 км, под островными дугами сокращается до 20−25 км.

Осадочный слой континентальной земной коры формируется: глинистыми отложениями и карбонатами мелководных морских бассейнов в пределах протерозойских платформ; грубообломачными фациями, сменяемыми выше по разрезу песчано-глинистыми отложениями и карбонатами прибрежных фаций в краевых прогибах и на пассивных окраинах континентов атлантического типа.

Гранитный слой земной коры формируется в результате вторжения магмы в трещины земной коры. Состоит из кремнезёма, алюминия и других минералов. Мощность гранитного слоя достигает 25 км. Скорость продольных сейсмических волн составляет от 5,5 до 6,3 км/сек. Слой очень древний: его средний возраст около 3 млрд. лет.

На глубинах 15−20 км, часто прослеживается граница Конрада, вдоль которой скорость распространения продольных сейсмических волн увеличивается на 0,5 км/сек. Граница разделяет гранитный и базальтовый слои.

Базальтовый слой формируется при излиянии основных (базальтовых) лав на поверхность суши в зонах внутриплитного магматизма. Базальт тяжелее гранита, содержит больше железа, магния и кальция. Скорость продольных сейсмических волн в пределах слоя от 6,5 до 7,3 км/сек.

Граница между гранитным и базальтовыми слоями в ряде мест проходит по т.н. поверхности Конрада, в пределах которой происходит скачкообразный рост скорости продольных сейсмических волн с 6 до 6,5 км/сек. В других местах скорость продольных сейсмических волн растёт постепенно и граница между слоями размыта. И, наконец, есть области, где наблюдаются сразу несколько поверхностей в пределах которых происходит возрастание сейсмических волн.

Общая масса земной коры оценивается в 2,8Ч1019 тонн, что составляет лишь 0,473% от массы всей планеты Земля.

Снизу земная кора отделена от верхней мантии границей Мохоровичича или Мохо, установленной в 1909 году хорватским геофизиком и сейсмологом Андреем Мохоровичичем. На границе происходит резкий рост скоростей продольных и поперечных сейсмических волн. Возрастает также плотность вещества. Граница Мохо может не совпадать с границами земной коры, по-видимому разделяя области разного химического состава: лёгкие кислые земной коры и плотные ультраосновные мантийные.

Слой лежащий под земной корой называется мантией. Мантия делится слоем Голицына на верхнюю и нижнюю, граница между которыми проходит на глубине около 670 км.

В пределах верхней мантии выделяется астеносфера — пластинчатый слой, в пределах которого скорости сейсмических волн понижаются.

В составе земной коры — множество элементов, но основную её часть составляют кислород и кремний.

Средние значения химических элементов в земной коре носят название кларков. Название было введено советским геохимиком А. Е. Ферсманом в честь американского геохимика Франка Уиглсуорта Кларка, который проанализировав результаты анализа тысяч образцов пород рассчитал средний состав земной коры. Вычисленный Кларком состав земной коры был близок к граниту — распространённой магматической горной породе в континентальной земной коре Земли.

После Кларка определением среднего состава земной коры занялся норвежский геохимик Виктор Гольдшмидт. Гольдшмидт сделал предположение, что ледник, двигаясь по континентальной коре соскребает и смешивает выходящие на поверхность горные породы. Поэтому ледниковые отложения или морены отражают средний состав земной коры. Проанализировав состав ленточных глин, отложившихся на дне Балтийского моря во время последнего оледенения, учёный получил состав земной коры, который очень походил на состав земной коры вычисленный Кларком.

В последствии состав земной коры изучался советскими геохимиками Александром Виноградовым, Александром Роновым, Алексеем Ярошевским, немецким учёным Г. Ведеполем.

После анализа всех научных работ было выяснено, что наиболее распространенным элементом в составе земной коре является кислород. Его кларк — 47%. Следующий аосле кислорода по распространенности химический элемент — кремний с кларком 29,5%. Остальными распространенными элементами являются: алюминий (кларк 8,05), железо (4,65), кальций (2,96), натрий (2,5), калий (2,5), магний (1,87) и титан (0,45). В совокупности на эти элементы составляют 99,48% от всего состава земной коры; они образуют многочисленные химические соединения. Кларки остальных 80 элементов составляют всего 0,01−0,0001 и поэтому такие элементы называются редкими. Если же элемент не только редкий, но и обладает слабой способностью к концентрированию, его называют редким рассеянным.

В геохимии также употребляют термин «микроэлементы», под которым понимают элементы, кларки которых в данной системе менее 0,01. А. Е. Ферсман построил график зависимости атомных кларков для чётных и нечётных элементов периодической системы. Выявилось, что с усложнением строения атомного ядра кларки уменьшаются. Но линии, построенные Ферсманом, оказались не монотонными, а ломанными. Ферсман прочертил гипотетическую среднюю линию: элементы, расположенные выше этой линии, он назвал избыточными (О, Si, Са, Fe, Ва, РЬ и т. д.), ниже — дефицитными (Ar, Не, Ne, Sc, Со, Re и т. д.).

Ознакомиться с распространением важнейших химических элементов в земной коре можно с помощью этой таблицы:

Таблица 1.

Распределение химических элементов в земной коре подчиняется следующим закономерностям:

• 1. Закону Кларка-Вернадского, который гласит, что все химические элементы есть везде (закон о всеобщем рассеянии);
• 2. С усложнением строения атомного ядра химических элементов, его утяжелением, кларки элементов уменьшаются (Ферсман);
• 3. В земной коре преобладают элементы с чётными порядковыми номерами и атомными массами.
• 4. Среди соседних элементов у четных всегда кларки выше, чем у нечетных (установили итальянский ученый Оддо и американский Гаркис).
• 5. Особенно велики кларки элементов, атомная масса которых делится на 4 (O, Mg, Si, Са…), а начиная с Аl, наибольшими кларками обладает каждый 6-й элемент (O, Si, Са, Fe).