Глава 3. Закономерности геологического развития и строения Земли

3.1. Современные представления о строении, геохимическом составе и эволюции земной коры, мантии и ядра Земли

Очертания берегов, горных
хребтов и рек уже нанесены на карту,
но много ли мы знаем о внутренности
земного шара?..

Акад. В. А. Обручев

В разделе будут освещены следующие вопросы.

Основные типы земной коры; поверхность Мохоровичича; литосфера; астеносфера, тектоносфера; мощность, объем, структура и рельеф основных типов земной коры; возникновение и эволюция земной коры; строение и состав мантии и ядра Земли.



Паспорт Земли

Возраст — 4,6–4,7 млрд лет

Диаметр Земли — 12 700 км

Радиус экваториальный — 6 378,16 км

Радиус полярный — 6 356,78 км

Масса — 5,98·1027 г

Гидросфера: толщина в среднем 3 км, масса 1,46·1024 г Атмосфера: азот — 78,08 %, кислород — 20,95 %, масса — 5,3·1021 г, толщина — 1 300 км




Земля состоит из следующих сферических оболочек (модель К. Буллена, 1963): земной коры (слой А), мантии (слои В, С, D) и ядра (слои E, F, G). Земная кора и верхняя мантия, где происходят тектонические процессы, выделяют в качестве тектоносферы, которая делится на литосферу и астеносферу (рис. 16.1).

Строение Земли

Рис. 16.1. Современные представления о строении Земли

Земная кора

Термин «земная кора» введен в геологическую литературу Ч. Лайелем в 1835 г. и первоначально относился лишь к таким «поверхностным частям планеты, которые доступны наблюдению человека» и — эти поверхностные слои были сложены, главным образом «гипергенными» образованиями, т. е. горными породами, первоначально возникшими на дневной поверхности.

С 1952-58 гг., после обобщения большого статистического геофизического (в основном сейсмологического) материала под этим термином стала пониматься относительно разуплотненная (плотность сверху вниз постепенно возрастает от 2,4–2,6 до 2,9–3,0 г/см3, средняя плотность около 2,85 г/см3), низкоскоростная (скорости продольных волн вниз по разрезу возрастают от 2,5–4,5 до 7,2–7,4 км/сек), высокоомная (электропроводность сухих твердых горных пород составляет 10–6–10–3 Ом-1·м-1) внешняя планетарная оболочка, ограниченная снизу резким сейсмическим разделом Мохоровичича1.

В строении земной коры участвуют все типы горных пород (метаморфические, осадочные и магматические). От верхней мантии земная кора отделяется границей Мохо или Мохоровичича (граница М), которая океанами лежит на глубинах 5–15 км, под континентами — 25–70 км.

Где образуется земная кора?

Приращение массы какой либо геосферы или планеты в целом называется АККРЕЦИЕЙ (по Ю. М. Пущаровскому).

Аккреция океанической коры происходит главным образом в зонах спрединга за счет поступления мантийных базальтовых магм. Здесь литосфера создается со средней скоростью 6 см/год, т. е. отодвигается от СОХ со скоростью 3 см/год.

Аккреция земной коры переходного (островодужного) типа — за счет субстрата океанической земной коры с появлением в ней магматических сиалических масс, андезитового вулканизма, формирования мощных осадочных комплексов, а также процессов тектонического скучивания.

Аккреция континентальной коры происходит при дальнейшей сиализации коры переходного типа под воздействием магматических, метаморфических и тектонических процессов на конвергентных границах литосферных плит.

Выделяют несколько типов земной коры: 1) континентальный; 2) субконтинентальный 3) океанский; и 4) субокеанский. Континентальная, в свою очередь, подразделяется на два подтипа 1А) континентальная земная кора орогенных поясов и 1Б) континентальная земная кора платформ.

Граница между условно базальтовым слоем и гранитным называется «границей Конрада». Эту границу в конце 80-х годов непосредственно изучили, когда Кольская сверхглубокая скважина пересекла ее на глубине около 7 км. Никакого вещественно выраженного раздела там не оказалось. Это видимо чисто геофизическая граница, связанная с физическим переходом вещества в новое состояние — более плотное или более напряженное.

2. Субконтинентальный тип земной коры (островных или вулканических дуг). Этот тип земной коры стал выделяться в связи с нечетко выраженной границей Конрада в областях развития вулканических дуг по краям континентов в так называемых областях субдукции активных континентальных окраин (Курильские, Алеутские острова).

3. Океанская земная кора. Формируется в зонах срединно-океанических хребтов в результате раздвижения океанического дна — СПРЕДИНГА. Имеет трехслойное строение и 5–9 (12) в среднем 6–7 км мощности. Первый, самый верхний, слой сложен рыхлыми осадками и достигает всего 600 м мощности. Второй слой представлен базальтовыми лавами подушечного типа в верхней своей части и в виде параллельных вертикальных даек в нижней. Мощность его 1,0–1,5 до 2,5–3,0 км. Третий слой состоит из интрузивного габбро, которое в верхней части имеет массивную текстуру, в средней — полосчатую, а в нижней приобретает черты ультрабазитовых пород. Мощность этого слоя составляет от 3,5 до 5,0 км.

Типы земной коры

Рис. 16.2. Типы земной коры: 1А - континентальная, орогенов; 1Б - континентальная, платформ; 2 - субконтинентальная или островных дуг; 3 - океанская центральных частей ложа океанов или талассократонов; 4 - субокеанская, окраинных и внутренних морей


Остатки или обломки земной коры океанского типа в пределах континентов называются офиолитами («ophiolite» — термин ввел в геологическую литературу Штейман, 1905 г.). В пределы континентальной земной коры они попадают в результате обдуцирования во время столкновения и коллизии литосферных плит. Значение их велико — они маркируют шовную зону (сутуру), по которой произошло замыкание или закрытие океана геологического прошлого.

4. Субокеанский тип земной коры наблюдается под окраинными и внутренними морями (Охотское, Японское, Средиземноморское, Черное и др.). По строению земная кора этого типа близка к земной коре океанского типа, отличаясь от нее повышенной мощностью (до 4–10 км) осадочного слоя, располагающегося на третьем океаническом слое мощностью 5–10, местами до 25–30 км.

Триада Штеймана

Рис. 16.3. Триада Штеймана — дружеский шарж друзей на представления о строении земной коры океанов геолога Штеймана (1905 г.)

Некоторые исследователи этот и тип земной коры в зонах срединно-океанических хребтов считают одинаковыми, с той лишь разницей, что в субокеанском типе более мощный слой осадочных мелководных отложений, а в срединно-океаническом хребте осадки все глубоководные.

Верхняя мантия

О составе пород мантии судят по обломкам, выносимым кимберлитовой магмой с глубины, где наряду с перидотитами содержащими гранат, шпинель, алмазы, встречаются включения высоко метаморфизованных пород — эклогитов.

Эклогиты близки по составу основной глубинной породе — габбро, но отличаются от нее большей плотностью, что говорит о том, что они были сформированы на большой глубине при больших давлениях (глубина до 150–200 км — глубина зарождения алмазов).

Анализируя средний состав пород верхней мантии ученые пришли к выводу о том, что она состоит главным образом из перидотита с гранатом. Такие породы они называют (А. Е. Рингвуд, 1962) пиролитом (по корням породообразующих эту породу минералам — пироксена и оливина) или пироксеново-оливиновой. Эта порода по предположениям ученых (В. Н. Жарков) должна распространяться до глубины 350—400 км. Ее состав: 57% оливина, 17% ортопироксена, 12% клинопироксена, 14% граната.

Верхний слой мантии считают твердым до глубины 100–200, а иногда даже до 400 км. Этот слой называют слоем В (по К. Буллену) или волноводом и совместно с земной корой включают в состав литосферы (литос — камень).

ЛИТОСФЕРА (термин lithosphere введен в геологическую литературу Дж. Баррелом в 1916 г.) — верхняя твердая оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю мантию до волновода Голицина-Гуттенберга. Мощность литосферы в океанах в пределах рифтовых долин срединно-океанических хребтов 5–10 км, и до 70–80 км по периферии океанов, что позволяет указывать на ее связь с возрастом. Литосфера континентов в большинстве случаев образована одной лишь корой (под молодыми платформами и орогенами), и только в пределах неактивизированных частей древних платформ включает еще 50–100-километровый слой внешней мантии. Средняя же толщина литосферы — ленты, которая движется по астеносфере составляет 80 км (Городницкий, Сорохтин, 1979).

Ниже литосферы в мантии отмечается менее вязкий (или более жидкий, податливый) или более пластичный слой, называемый АСТЕНОСФЕРНЫМ (греч. астенос — слабый) или слоем Голицина. Граница литосферы и астеносферы — фазовая, т. е. характеризуется постепенным переходом частично расплавленного вещества астеносферы в кристаллическое литосферы.

С астеносферным слоем связывают горизонтальные перемещения литосферных плит (литосферные плиты скользят по нему как по маслу). Под рифтами срединно-океанических хребтов этот слой залегает на глубинах 2–3 км от поверхности дна, а под континентами его часто не могут обнаружить и на глубинах 200–250 км, от чего иногда говорят о его линзовидном распространении (идея астенолинз). Нижняя граница астеносферы залегает на глубинах 300–400 км.

Ниже астеносферного слоя залегает подастеносферный слой (слой Голицина) до глубин 700–1000 км. Состав его считают примерно тем же, что и астеносферного, т. е. состоящим из оливина, пироксена и граната, только их фазовое состояние несколько иное — шпинелевое. В этом состоянии атомы и молекулы минералов приобретают плотнейшую упаковку близкую к кубической гранецентрированной, в результате чего плотность горных пород возрастает на 11% по отношению к оливиновой упаковке вышележащих слоев пиролита.

В основании слоя Голицина на глубинах 700–1000 км происходит еще большее уплотнение «горных пород», где структура шпинели переходит в перевскитовую (Ca,TiO3). Поэтому нижний слой мантии (нижнюю мантию) называют перевскитовым или слоем D. Этот слой распространяется до глубины 2900 км, с которой начинается уже жидкое внешнее ядро Земли.

Ядро Земли

Почему внешнее ядро Земли жидкое? Да потому, что поперечные волны в этом слое не распространяются, а продольные испытывают скачок скорости распространения с 13,6 км/с до 8,0–8,1 км/с.

На границе с внутренним твердым ядром Земли скорость продольных волн опять возрастает. Состав внутреннего ядра Земли большинство ученых считают железным с примесью никеля и серы и, возможно, кремния или кислорода. Некоторые исследователи считают ядро железоводородным (карбид железа).

Геохимический состав Земли2

Химический состав Земли, распространение химических элементов, химические процессы в геосферах Земли изучает наука геохимия. Химический состав геосфер и Земли в целом основывается на данных изучения химического состава горных пород, метеоритов, образцов пород, доставленных с Луны, Марса, расшифровки спектрограмм Солнца и результатах физических методов исследования оболочек Земли. Нам уже известно, что ядро обладает значительно большей плотностью, чем Земля в целом и что оно состоит из двух частей: внутренней и внешней. С большей уверенностью можно судить о составе мантии, чем о составе ядра, так как кимберлитовые трубки взрыва корнями своими уходят в нижнюю мантию. Богатый материал дают метеориты. По составу выделяют три типа метеоритов: 1) железные, состоящие главным образом из никелистого железа (90–91% Fe), с небольшой примесью кобальта и фосфора; 2) железокаменные (сидеролиты), состоящие из железа и силикатных минералов; 3) каменные (хондриты), или аэролиты, состоящие главным образом из железисто-магнезиальных силикатов и включений никелистого железа. Из перечисленных типов метеоритов на Землю большей частью попадают каменные метеориты (хондриты) — 92%.

Химический состав геосфер

Рис. 16.4. Химический состав геосфер Земли (по А.Е. Ферсману)


По данным химического анализа горных пород, в литосфере и земной коре установлено 93, а в космосе 97 химических элементов. История изучения химического состава Земли имеет продолжительный период. Более 150 лет назад, впервые английский минералог Ф. Фекликс исследовал химический состав земной коры. В середине XIX в. американский ученый Ф. Кларк определил содержание в земной коре более 50 химических элементов. Высоко оценивая вклад Ф. Кларка в изучение геохимии Земли, позже ученые предложили среднюю величину содержания химического элемента назвать кларком. Кларки бывают массовыми (весовыми), атомными и объемными. Весовые кларки — это средние содержания элементов, выраженные в процентах или граммах на грамм породы; атомные — процентное количество числа атомов элементов; объемные — показывают, какой объем в процентах занимает данный элемент.

Проблемой геохимии геосфер Земли занимались многие ученые. Это Г. Вашингтон, И. Фогт, П. Нигли, В.И. Вернадский, А.Е. Ферсман, А.П. Виноградов, Р. Тейлор и другие. В химическом составе Земли, согласно данным А.Е. Ферсмана, (рис. 16.4) преобладают железо (37,04%) и кислород (28,50%), затем следует кремний (14,47%), магний (11,03%), никель (2,96%), кальций (1,38%), алюминий (1,22%), сера (1,44%) и прочие 1,96%.

Современная оценка валового элементарного состава Земли представлена в табл. 16.1. Как видно из этой таблицы, а также из выводов А.Е. Ферсмана, Ф. Кларка, Б. Мейсона, А.П. Виноградова, В.В. Добровольского и других ученых, в Земле наиболее распространены четыре элемента: О, Fe, Si, и Мg, — на их долю приходится более 91% состава Земли (рис. 16.4). Менее распространены элементы Ni, S, Ca, A1 — они образуют вторую группу элементов. На оставшиеся химические элементы периодической таблицы Д.И. Менделеева приходится менее 1% массы Земли.

Таблица 16.1

Средний химический состав Земли (Г.В. Войткевич, 1986)

Элементы Массовое содержание элементов
по А. Ферсману, 1932 по Р. Рамамурти и Р. Холлу, 1970 по Р. Ганапати и Э. Андерсу, 1979 по Дж. Смитту, 1979 по Дж. Моргану и Э. Андерсу, 1980

О

28,50

30,75

28,50

31,30

30,12

Na

0,52

0,30

0,158

0,085

0,12

Mg

11,03

15,70

19,21

13,7

13,90

Al

1,22

1,29

1,77

1,83

1,41

Si

14,47

14,73

14,34

15,10

15,12

P

0,12

0,215

0,18

0,19

S

1,44

4,65

1,84

2,91

2,92

К

0,15

0,017

0,013

0,023

Ca

1,38

1,54

1,93

2,28

1,54

Ti

0,10

0,093

0,08

Cr

0,26

0,478

0,416

0,41

Mn

0,18

0,059

0,047

0,075

Fe

37,04

29,30

35,87

31,7

32,07

Ni

2,96

1,65

2,04

1,72

1,82


Химический состав геосфер Земли отличается. Так, состав земного ядра, по данным анализа Д. Брауна, характеризуется следующим образом: 1) внутреннее ядро 1,7% массы Земли — железо-никелевый сплав (вероятно, около 10% никеля, 90% железа); 2) внешнее ядро 30% массы Земли — смесь железа и серы, содержащая в основном железо, примерно 12% серы, и, вероятно, около 2% никеля. В незначительном количестве присутствуют окислы магния.

В составе мантии Земли преобладают кислород, кремний и алюминий, в меньшем количестве присутствуют магний и железо. В целом она представлена так называемым пиролитом — сложным комплексом пород ультраосновного состава. Состав современной мантии и первичного вещества Земли приведен в таблице 16.2 (по данным О.Г. Сорохтина, С.А. Ушакова, 1991).

Таблица 16.2

Состав мантии и первичного вещества Земли

Оксиды Состав современной мантии Состав первичного вещества Земли по лерцолитовой модели Средний состав углекислых хондритов
Пиролитовая модель (Рингвуд, 1966) Лерцолитовая модель (Дмитриев, 1973)

SiO2

45,16

45,7

31,11

33,0

TiO2

0,71

0,2

0,14

0,11

Аl2O3

3,54

3,7

2,56

2,53

Fe2O3

0,46

FeO

8,04

8,2

23,81

22,0

MnO

0,14

0,1

0,07

0,24

MgO

37,49

38,4

26,14

23,0

CaO

3,08

23

1,57

2,32

Na2O

0,57

0,3

0,16

0,72

K2O

0,13

0,1

0,02

Cr2O3

0,43

0,4

0,27

0,49

P2O5

0,38

NiO

0,20

0,1

0,07

FeS

0,55

13,6

Те

13,21

Ni

0,20


Химический состав верхней и нижней мантии почти одинаковый и соответствует океаническим лерцолитам. Химический состав земной коры отличается от состава ядра и мантии. Он изучен лучше, чем глубокие сферы Земли. Из обобщения результатов химического анализа образцов горных пород, выполненных ведущими геохимиками В.И. Вернадским, А.Е. Ферсманом, А.Н. Заварицким, А.П. Виноградовым, Ф. Кларком и другими, получено, что на долю трех элементов — кислорода, кремния и алюминия приходится 84,55%; вторую распространенную группу элементов составляют: Fe, Ca, Na, F, Мg — 14,48%; на остальные многочисленные элементы отводится всего 0,8% массы земной коры. Сравнение химического состава земной коры, мантии и ядра показывает, что в земной коре более высокое содержание О, Si, A1, К, Na, Ca и низкое содержание Fe и Мg, а также Ni, Cr и Со. Эту особенность ученые объясняют химико-плотностной дифференциацией Земли, когда тяжелые элементы оседают в ядро, а легкие «всплывают» в верхней части Земли.

Геологические процессы, протекающие внутри Земли, такие как перемешивание расплавленной магмы, с образовавшимися ранее горными породами, дифференциация (разделение) магмы и многие другие, а также процессы, действующие на земной поверхности приводят к образованию разнообразных минералов, горных пород и полезных ископаемых.



Более подробно с темой данного раздела вы можете познакомиться в Интернете, зайдя на сайт интеллектуальной электронной библиотеки России IQLIB: www.iqlib.ru и найдя там книгу: Лобковский Л.И. / Л.И. Лобковский, А.М.Никишин, В.Е. Хаин.– Современные проблемы геотектоники и геодинамики.– М.: Научный мир, 2004. Наиболее близка по теме Глава 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ВНУТРЕННЕМ СТРОЕНИИ ЗЕМЛИ, ЛИТОСФЕРЫ И АСТЕНОСФЕРЫ с разделами:

1.1. Деление твердой Земли на оболочки
1.1.1. Основные геосферы Земли
1.1.2. Земная кора
1.1.3. Верхняя мантия
1.1.4. Переходная зона от верхней к нижней мантии (410–670 км)
1.1.5. Нижняя мантия
1.1.6. Переходная зона мантия-ядро
1.1.7. Внутреннее ядро Земли
1.2. Литосфера и астеносфера
1.2.1. Литосфера
1.2.2. Астеносфера
1.2.3. Флюиды в мантии и ядре


Материалы этого раздела отражают современную научную модель геологии. Если вы желаете самостоятельно обдумать все предложенные в этом разделе понятия геологии, настоятельно рекомендую ознакомиться с альтернативной точкой зрения на геологию и все естествознание в целом В.М. Дуничева (см. приложение 4), где материал, касающийся темы этого раздела, можно найти в Интернете по этим гиперссылкам [www.science.sakhalin.ru/Geography/DVM/2003/1-4.html],  [www.science.sakhalin.ru/Geography/DVM/2002/06.html]


Контрольные вопросы

1. Приведите характеристику форм и размеров Земли.
2. Как отличаются по химическому составу ядро, мантия и земная кора?
3. Что общего в химическом составе метеоритов и земной коры?
4. Дайте характеристику строения земной коры под материками, океанами и между ними.
5. Чем земная кора отличается от литосферы?




 
© 2008–2011,   С.Н. Коваленко, кафедра географии ВСГАО. Все права защищены.