7.2. Геосферные оболочки Земли 199
В центре Земли имеется внутреннее твердое субъядро радиусом
1250 км (рис. 7.1), состоящее из вещества плотностью
13 г/см3 (по одной из наиболее распространенных гипотез считают,
что такую плотность может иметь только металл).
Вокруг него находится жидкое внешнее ядро радиусом
3050 км, состоящее из расплавленного вещества. Регулярные
Рис. 7.1. Внутреннее строение Земли
200 Глава 7. БИОСФЕРА
течения этой высокоэлектропроводной жидкости, по одной из
гипотез, являются причиной существования магнитного поля
Земли. Внешнее жидкое и внутреннее твердое ядра в сумме
составляют: 16% земного шара (без атмосферы) по объему
и 31,5% по массе.
Далее снаружи жидкого ядра следует мантия, распространяющаяся
с глубины 2900 км до глубины около 40 км относительно
уровня моря на поверхности планеты1.
Температура на границе ядра и мантии составляет около
4500 °С, а плотность вещества меняется скачкообразно с 10,1
у ядра до 5,6 т/м3 у мантии. По другим данным температура
ядра не меньше 2000 °С и не больше 5000 °С. Мантия составляет
83% объема планеты (без атмосферы) и 67% массы.
Скорость v распространения упругих волн по толщине
мантии по мере движения от периферии к центру нарастает
неравномерно: значительно быстрее в верхней части до глубин
Z = 900—1000 км и очень медленно на больших глубинах
(рис. 7.2). В связи с этим мантию чаще всего делят на верхнюю
и нижнюю, а иногда дополнительно выделяют среднюю мантию.
I I I 1—1 I LJ 1 ^
100 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Z, км
Рис. 7.2. Зависимость скорости распространения сейсмических волн
от глубины (сейсмическая модель Земли): 1 — продольные волны;
2 — поперечные волны
Под действием высоких температур и долговременных нагрузок
породы мантии размягчены и вещество на глубинах 40—400 км может
течь. Так, около 10 тыс. лет назад после окончания ледникового периода
растаяли ледники Северной Европы и Канады и, освободившись от двухкилометрового
слоя льда, поверхность Земли начала подниматься. Этот
подъем со скоростью в несколько миллиметров в год продолжается в
Скандинавии и на севере Америки и сейчас, что обеспечивается вязким
течением верхней мантии.
7.2. Геосферные оболочки Земли 201
Снаружи мантии расположена действительно твердая, но
очень тонкая (20—40 км) оболочка — кора Земли, составляющая
около 1% планеты по объему и 0,5% по массе. При переходе
из мантии в кору (поверхность или граница Мохоровичи-
ча1 — сокращенно граница Мохо) плотность вещества скачкообразно
меняется с 3,2 до 2,9 т/м3 .
Максимальные глубины, которых достиг человек к концу
XX в., составляют 15 км (сверхглубокая скважина на Кольском
полуострове) и 3,5 км (глубокая шахта «Ист Рэнд» в Южной
Африке). Поэтому сейсморазведка — единственный доступный
человеку метод изучения внутреннего строения Земли.
Суть этого метода в том, что на поверхности создают
(например, путем взрыва) упругие колебания — сейсмические
волны, которые со скоростью в несколько километров в секунду
распространяются в глубь Земли. С той же целью изучают
упругие колебания, вызванные природными землетрясениями.
Различают продольные Р и поперечные S объемные волны
(рис. 7.2).
В более плотной среде скорость волн возрастает, в рыхлой —
снижается, а в жидкостях поперечные волны вообще не распространяются.
Резкие скачкообразные изменения плотности
вещества в геосферах сопровождаются такими же резкими изменениями
скорости распространения продольных волн: в коре
она составляет около 7 км/с, в мантии за границей Мохо —
около 8 км/с, а при переходе из мантии в ядро скорость меняется
скачком с 13,6 до 8,1 км/с. Поперечные волны в ядре вообще
не могут распространяться. Проходя границу раздела
двух сред с различной плотностью, упругие колебания частично
отражаются, возвращаясь на поверхность.
Давление с глубиной быстро растет, и в центре Земли оно
достигает 370 ГПа (3,7млнатм), а сила тяжести постепенно
убывает до нуля. Наиболее сложное (неоднородное) строение
имеет земная кора. Она состоит из нескольких слоев. Самый
нижний слой называют базальтовым, потому что скорости
распространения сейсмических волн в нем такие же, как в базальте,
хотя действительный его состав неизвестен.
В базальтовом слое как бы плавают гранитные «подушки»
толщиной 15—20 км, на которых расположена трех—пятикилометровая
(в среднем) толща осадочных пород континентов
(рис. 7.3). Они состоят из различных кристаллических пород,
1 По имени югославского геофизика А. Мохоровичича, изучавшего
в 1910 г. землетрясения в Хорватии.
202 Глава 7. БИОСФЕРА
180 140 100 60 20 20 60 100 120 160°
I I I I I I I I I I I I I I I I I I I
Тихий Южная Атлантический Индийский Индонезийский
океан Америка океан Африка океан архипелаг
• 1 • 2 Ш 3 СО 4 • 5
Рис. 7.3. Схема строения земной коры в экваториальном разрезе:
1 — океаническая вода; 2 — осадочные породы; 3 — граниты;
4 — базальты; 5 — мантия
скорость движения сейсмических волн в которых такая же,
как в гранитах. Плотность гранитов при одинаковом давлении
и температуре ниже плотности базальтов.
Океаническая кора имеет следующие существенные отличия
от материковой:
• толщина ее составляет обычно 3—7 км, что на порядок
меньше;
• гранитный слой отсутствует;
• осадочный слой обычно очень тонок — менее 1 км;
• между осадочным и базальтовым слоями находится небольшой
слой, состав которого практически неизвестен,
поэтому он называется просто вторым слоем.
Методами гравиметрии и глубинного сейсмического зондирования
установлено, что чем выше расположена какая-либо
местность, тем толще под ней кора и тем глубже она уходит
в мантию. Получается, что поверхность Мохоровичича повторяет
рельеф земной поверхности в перевернутом виде, т. е. является
отражением в горизонтальном зеркале с многократным
увеличением вертикального масштаба.
Континенты и вся кора как бы плавают в более плотной
мантии, причем не только подчиняясь закону Архимеда, но
и перемещаясь друг относительно друга со скоростью в несколько
сантиметров в год. В соответствии с теорией глобальной
тектоники движутся тектонические плиты — большие участки
земной коры, включающие в себя, помимо континентов,
также и соседние участки океанического дна. Заметное повто-
7.2. Геосферные оболочки Земли 203
рение береговой линии Африки и Южной Америки считают не
случайным — сотни миллионов лет назад эти два континента
были единым целым.
По принятой на сегодня гипотезе на Земле с середины палеозоя
до середины мезозоя существовало только два материка:
в Северном полушарии — Лавразия, а в Южном — Гондва-
на. Их разделял океан Тетис.
Когда Лавразия распалась, образовались две части: север-
ноамериканская и евроазиатская с Атлантическим океаном
между ними. Из Гондваны образовались Южная Америка, Африка,
Азия (Аравия и Индия), Австралия и Антарктида. Кости
предков сумчатых животных, ныне обитающих только в Австралии,
были найдены в Антарктиде.
Главных тектонических плит шесть: евроазиатская, африканская,
антарктическая, индо-австралийская, американская
и тихоокеанская. Между ними существует несколько мелких
плит, движущихся отчасти независимо. На некоторых границах
плит, расположенных только в океане, образуется новая
кора. Так, вдоль середины Атлантического океана проходит
подводный Срединно-Атлантический хребет, от которого земная
кора наращивается в направлении к американской плите
(в одну сторону) и к африканской и евроазиатской (в другую).
Однако существуют на Земле и районы, где плиты сталкиваются
и одна погружается под другую, образуя зоны субдукции1.
Трение на границах сдвигающихся плит — причина землетрясений,
а нагревание осадочного слоя опускающейся плиты,
сопровождающееся химическими реакциями, — причина
извержений вулканов. Образующиеся при дегазации недр газы
и пары воды из жерла вулкана попадают в атмосферу. Характерным
примером является цепь вулканов на Дальнем Востоке
вдоль границы, где тихоокеанская плита опускается под
евроазиатскую.
В середине XX в. было установлено, что излияние лав и дегазация
идут не только в вулканах на суше, но и на дне океана,
в рифтовых (от англ. rift — трещина, ущелье) долинах — раз-
1 Субдукция — процесс подныривания одной литосферной плиты
под другую в районе глубоководных желобов. На карте рельефа поверхности
Земли зоны субдукции выглядят как глубоководные океанические
желоба вблизи островных дуг или континентальных окраин с высокими
хребтами. Их протяженность примерно равна протяженности рифтовых
долин. Противоположный процесс — спрединг — расхождение литосфер-
ных плит в стороны от срединно-океанических хребтов.