Глава 1. Современная Земля

Форма, размеры, масса, моменты инерции, поле силы тяжести, магнитное поле, геотермический поток тепла. Сейсмическое зондирование. Оболочки Земли: атмосфера, гидросфера, земная кора (континентальная и океаническая), мантия (верхняя, включая литосферу и астеносферу, и нижняя), ядро (жидкое внешнее и твердое внутреннее)

Главное в истории планеты в целом - это эволюция ее внутренней структуры. Под структурой мы понимаем изменения с глубиной химического состава планетного вещества, его фазового состояния (газообразного, жидкого или твердого, в последнем случае - вида кристаллической решетки) и физических характеристик, прежде всего давления, температуры и плотности, а затем также упругости, вязкости, электропроводности и т. п.

Чтобы разобраться в том, как изменялась в течение истории Земли ее внутренняя структура, удобнее всего начать с менее трудной задачи - выяснения внутренней структуры Земли в современную эпоху. Но и эта задача оказывается трудной, так как прямые наблюдения и измерения мы можем проводить только на поверхности Земли, в атмосфере (теперь и в космосе), гидросфере и на небольших, всего до нескольких километров, глубинах в шахтах и скважинах в земной коре; о более глубоких слоях Земли приходится судить лишь по косвенным данным.

С помощью астрономических наблюдении, а также измерений на поверхности Земли и в космосе удалось определить форму и размеры Земли, ее массу и момент инерции, гравитационное и магнитное ноля, тепловой поток из ее недр, химический состав и физические свойства в самых верхних ее слоях. Представим себе условную поверхность, наиболее близкую к не возмущенной ветрами и течениями поверхности Мирового океана.

Рис. 1. Карта высот геоида (м) над референц-эллипсоидом

Эта поверхность, называемая геоидом, очень близка к эллипсоиду вращения с экваториальным радиусом r_э=6378,16 км и полярным радиусом r_п=6356,78 км, а потому со средним радиусом r=6371 км (радиус равновеликой сферы) и со сжатием . Отклонения геоида от этого референц-эллипсоида нигде не превосходят 100 м. Карта отклонений, приведенная на рис. 1, показывает, что геоид выше референц-эллипсоида в западной части Тихого, южной части Индийского и в северной части Атлантического океана и ниже референц-эллипсоида в Азии, Северной Америке и в тихоокеанском секторе Антарктиды.

Масса Земли (М) равна 5,98·10⁹ триллионов т, средняя масса 1 см³ вещества Земли оказывается равной 5,52 г. Поскольку измеряемая прямыми методами плотность горных пород вдвое меньше (средняя плотность земной коры принимается равной 2,8 г/см³), ясно, что вещество в глубоких недрах Земли должно иметь плотность заметно больше указанной средней цифры.

Момент инерции Земли составляет треть (точнее, 0,3308) от произведения ее массы на квадрат ее среднего радиуса. Точнее, момент инерции C относительно оси вращения вследствие сплюснутости Земли вдоль этой оси имеет немного большее значение, чем момент инерции A относительно какой-либо из экваториальных осей:

Ускорение силы тяжести на поверхности Земли удобно определять, приняв за единицу измерения 1 см/с², такая единица в честь Галилея носит название "гал". Существующие измерительные приборы - гравиметры - вполне допускают измерения с точностью в 0,001 гал (миллигал). Ускорение силы тяжести на экваторе в среднем равно g_э=978,049 гал; в него уже включено (со знаком минус) центробежное ускорение, создаваемое вращением Земли, которое равно 3,392 гал. На полюсах центробежное ускорение отсутствует, и полное ускорение силы тяжести g_п оказывается больше, чем на экваторе: . Отклонения ускорения силы тяжести в различных точках поверхности Земли от их стандартных значений на поверхности референц-эллипсоида называются гравитационными аномалиями; они нередко составляют десятки и даже сотни миллигал.

Рис. 2. Карта изолиний величины индукции геомагнитного поля (ГС) на 1945 г.

Наблюдения над стрелками компасов показывают, что Земля обладает магнитным полем. Единицей измерения магнитной индукции служит гаусс; существующие приборы для измерения индукции геомагнитного поля - магнитометры - обеспечивают точность в 0,00001 Гс (1 гамма). Измерения показали, что Земля является магнитом с южным полюсом (к которому притягивается северный конец стрелки компаса) около Гренландии (73° с. ш., 100° з. д.) и северным полюсом в австралийском секторе Антарктики (68° ю. ш., 143° в. д.), причем величина индукции геомагнитного поля максимальна у магнитных полюсов (она равна 0,7 Гс у антарктического и 0,6 Гс у гренландского полюсов) и минимальна вдоль магнитного экватора (где она меняется от 0,25 Гс у восточных берегов Южной Америки до 0,42 Гс в Индонезии; рис. 2).

Измерения в скважинах и шахтах на разных глубинах в континентальной земной коре показывают, что температура растет с глубиной со скоростью порядка 30 град/км; это так называемый геотермический градиент температуры. Умножив эту величину на коэффициент теплопроводности горных пород (порядка 0,005 кал/см·с·град.), получим геотермический поток тепла. Измерения на суше дают для него значения (1,2÷1,6)·10^-6кал/см²·с. Аналогичные значения, хотя и с гораздо большим разбросом, получаются и при измерениях в породах океанского дна (где разности температур на глубинах в десятки сантиметров под поверхностью дна измеряются при помощи так называемых термоградиентометров). Обычно за среднюю величину геотермического потока тепла принимают 1,5·10^-6кал/см²·с; для Земли в целом это дает ежегодную теплопотерю порядка 10²⁸эрг.

Наименьшие значения геотермического потока тепла (0,9·10^-6) наблюдаются в самых древних областях континентов; в областях современного вулканизма (исключая вулканические очаги) он вырастает до 2,2·10^-6, а наибольших значений, до 8·10^-6, достигает около осей срединно-океанских хребтов.

Однако для определения внутренней структуры Земли перечисленных данных недостаточно, нужны еще дополнительные данные. Их получают главным образом методом сейсмического зондирования земных недр. Кроме того, используются электромагнитное зондирование и наблюдения приливов и собственных колебаний в твердой Земле.

Сейсмическое зондирование проводится для измерения характеристик упругости вещества в недрах Земли. Речь идет о двух характеристиках. Во-первых, все реальные тела при увеличении давления сжимаются и по закону Гука относительное уменьшение их объема при сжатии пропорционально приращению давления; коэффициент пропорциональности, называемый модулем сжатия (K), - это первая из интересующих нас характеристик. Во-вторых, твердые тела под действием касательного напряжения на их поверхности испытывают деформацию сдвига, по закону Гука пропорциональную напряжению; коэффициент пропорциональности, называемый модулем сдвига, или жесткостью (μ), - вторая характеристика упругости тела (у жидких или газообразных тел она равна нулю).

Если удается измерить модуль сжатия вещества на разных глубинах в недрах Земли, то распределение плотности и давления по глубине можно рассчитать, допуская, что давление на данной глубине равно весу вышележащего вещества (и в первом приближении пренебрегая малыми поправками на температурное расширение вещества).

Измерению поддаются не сами модули K и μ в недрах Земли, а выражающиеся через них скорости

продольных (P) и поперечных (S) упругих волн, распространяющихся в недрах Земли от очагов землетрясений или сильных взрывов (здесь p - плотность вещества). Волны P - это волны сжатия и разрежения (часто называемые звуковыми), в которых частицы среды колеблются вдоль направления движения волны; они способны распространяться и в твердых, и в жидких, и в газообразных средах. Волны S, в которых частицы среды колеблются поперек направления движения волны, могут распространяться только в твердых телах.

Непосредственно измеряются не скорости упругих волн c_p и c_s, а время их распространения от породивших их очагов до мест расположения сейсмографов, записывающих эти волны. При этом моменты времени и очаги землетрясений заранее неизвестны и должны быть рассчитаны задним числом по записям нескольких сейсмографов, расположенных в разных местах (в частности, это всегда относится к глубине очагов). Расчет скоростей c_p и c_s на разных глубинах по координатам очагов и времени распространения упругих волн - трудная задача, решаемая лишь с некоторой степенью неопределенности. Несмотря на все эти осложнения, сейсмологией накоплено большое количество данных, позволяющих сформулировать основные представления о внутренней структуре современной Земли.

Согласно геофизическим данным, современная Земля состоит из следующих разнородных слоев (оболочек).

1. Атмосфера - внешняя газовая оболочка, ограниченная снизу твердой или жидкой подстилающей поверхностью.

2. Гидросфера (в основном Мировой океан) - водная оболочка, частично покрывающая твердую Землю.

3. Земная кора (слой A) средней толщиной 33 км.

4. Мантия с нижней границей на глубине 2920 км, распадающаяся на верхнюю (слой B с нижней границей на глубине 410 км), среднюю (слой C с глубинами залегания 410 - 1000 км) я нижнюю (слой D с глубинами 1000 - 2920 км, распадающийся на собственно нижнюю мантию D с глубинами 1000 - 2700 км и переходный слой между мантией и ядром D″ на глубинах 2700 - 2920 км). В слое B на глубинах около 100 - 300 км выделяется слой с пониженными жесткостью, скоростями c_p и c_s и вязкостью, называемый астеносферой; вышележащая часть слоя B вместе с земной корой называется литосферой.

5. Ядро, распадающееся на внешний жидкий слой F на глубинах 2920 - 4980 км, переходный слой F между внешним и внутренним слоями (4980 - 5120 км) и внутренний твердый слой G (5120 - 6371 км).

Охарактеризуем каждый из этих слоев в отдельности.

Атмосфера. С точки зрения теории климата она характеризуется главным образом массой и химическим составом. В настоящее время земная атмосфера содержит 5,3·10³ триллионов т воздуха - около одной миллионной доли массы всей Земли. Давление воздуха на уровне моря в среднем равно 1,013 кг/см², а плотность 1,3·10^-3г/см³. С высотой плотность воздуха быстро убывает, так что три четверти массы атмосферы находятся ниже 10 км, 90% - ниже 15 км, 99% - ниже 30 км, 99,9% - ниже 50 км.

Сухой воздух состоит из 78,08% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, около 0,03% углекислого газа и малых количеств благородных газов и водорода. Важную роль в формировании погоды и климата играют так называемые термодинамически активные примеси (ТАП) - переменные составные части атмосферы, способные влиять на состояние воздуха и распределение по атмосфере притоков тепла.

Важнейшей ТАП в атмосфере Земли является вода, содержание которой, главным образом в виде водяного пара, в среднем равно 12,4 триллиона т (что эквивалентно слою осажденной воды в 24 мм, так что при среднем годовом количестве испарения и осадков в 780 мм водяной пар в атмосфере обновляется 32 раза в год, или каждые 11 дней). Водяной пар способен конденсироваться или сублимироваться на имеющихся в атмосфере частицах, образуя облака и туманы (с выделением больших количеств скрытого тепла). Насыщающая концентрация пара растет с температурой и обратно пропорциональна давлению; при нормальном давлении на уровне моря она меняется от 0,0236% при -30°С до 0,611% при 0°С и 4,24% при 30°С.

Водяной пар и особенно облачность резко влияют на потоки коротковолнового и длинноволнового излучения в атмосфере, внося, в частности, большой вклад в парниковый эффект, т. е. в способность атмосферы пропускать солнечную радиацию до подстилающей поверхности, но поглощать собственное тепловое излучение подстилающей поверхности и нижележащих атмосферных слоев (благодаря этому эффекту температура в атмосфере растет с глубиной и ее нижние слои оказываются теплыми).

Наконец, облака способны к неустойчивости со слипанием облачных частиц и выпадением осадков (эти процессы происходят быстрее, чем испарение влаги с подстилающей поверхности, вследствие чего атмосфера в целом далека от насыщения водяным паром, несмотря на то, что две трети ее нижней границы образованы поверхностью воды). Водяные облака и осадки являются специфической особенностью погоды на Земле.

Другими ТАП в атмосфере являются углекислый газ (вносящий вклад в парниковый эффект), озон и взвешенные частицы (аэрозоль). Озон в атмосфере содержится в переменном количестве, порядка одной миллионной доли, в основном на высотах 10 - 30 км, где он образуется из молекулярного кислорода в результате фотохимических процессов под действием ультрафиолетовой радиации Солнца. Почти вся ультрафиолетовая радиация, губительная для живых организмов, при этом поглощается, так что озон обеспечивает существование жизни на суше. Аэрозоль может рассеивать солнечную радиацию, уменьшая прямую радиацию на подстилающей поверхности, но зато увеличивая рассеянную и, по-видимому, мало меняя их сумму. Однако он может и поглощать солнечную радиацию и, переизлучая инфракрасную, увеличить парниковый эффект. Эти процессы изучены еще недостаточно.

Средняя температура воздуха у земной поверхности в наше время равна 15°С. В нижних 10 км атмосферы она уменьшается с высотой на 6,5°С за каждый километр, выше (в стратосфере) остается приблизительно постоянной, около - 50°С, а еще выше, где атмосфера становится чрезвычайно разреженной, температура растет. До 105 - 120 км благодаря перемешиванию атмосфера однородна по составу, а выше становится заметным разделение газов - тяжелые остаются внизу, а легкие поднимаются вверх. Выше 600 км возможна утечка газов в космическое пространство. Она возрастает с увеличением температуры и с уменьшением веса молекул. Согласно теоретическим оценкам при температуре 2000°С время полной утечки водорода составляет 1800 лет, а гелия - 24 млн. лет. Температуры такого порядка на высотах в несколько сот километров в атмосфере, по-видимому, возможны, и этим может объясняться почти полное отсутствие водорода и гелия в атмосфере Земли.

Гидросфера. Ее масса (1,46×10⁶ триллионов т жидкой воды и льда) в 275 раз больше массы атмосферы, но составляет лишь одну четырехтысячную долю массы всей Земли. Около 94% массы гидросферы составляют соленые воды Мирового океана, из оставшихся 6% гидросферы три четверти приходятся на подземные воды и четверть - на ледники Антарктиды и Гренландии (их растопление повысило бы уровень Мирового океана на 80 м); на остальные ледники и озера приходится очень малая доля массы гидросферы.

Рассмотрим главную часть гидросферы - Мировой океан. Он покрывает 70,8% поверхности земного шара и имеет среднюю глубину 3880 м. Окаймляющая континенты мелководная зона океанов с глубинами до 200 м (материковая отмель, или шельф), как правило, узка - она занимает только 7,6% площади Мирового океана. Далее идет довольно крутой материковый склон с глубинами 200 - 3000 м (15,2% площади океана). Ложе океана с глубинами >3 км занимает 77,1 % площади океана; половина ложа имеет глубины 4 - 5 км, а глубины >6 км (глубоководные желоба) составляют <1% площади океана. Доли площади, приходящиеся на разные глубины и высоты, даются гипсографической кривой поверхности твердой Земли (рис. 3), Наибольшая глубина Мирового океана обнаружена экспедицией Института океанологии АН СССР на научно-исследовательском судне "Витязь". Она находится в Марианском желобе и равняется 11023 м.

Рис. 3. Гипсографическая кривая поверхности земной коры (по Г. Дитриху)

Мировой океан несколько условно делят на четыре части: Тихий океан (52,8% массы и 49,8% площади Мирового океана, средняя глубина 4028 м), Атлантический океан (24,7% массы и 25,9% площади, средняя глубина 3627 м), Индийский океан (21,3% массы и 20,7% площади, средняя глубина 3897 м) и Северный Ледовитым океан (1,2% массы и 3,6% площади, средняя глубина 1296 м). Здесь к океанам отнесены соответствующие секторы Антарктики, а также прибрежные моря, составляющие в сумме 3% массы и 10% площади Мирового океана; Средиземное, Черное и Каспийское моря условно отнесены к Атлантическому океану.

С гидродинамической точки зрения целесообразно дальнейшее деление океанов на котловины, разделяемые подводными хребтами, прежде всего так называемыми срединно-океанскими хребтами, показанными на рис. 4, которые образуют непрерывную глобальную цепь длиной около 60 тыс. км и занимают около трети площади океанов. Эти хребты возвышаются над дном котловин на 3 - 4 км и нарушают непрерывность глубинной циркуляции океанских вод.

Рис. 4. Главные тектонические структуры современной Земли

В водах океана растворено в среднем 3,472% солей. Поскольку в растворе они распадаются на положительные и отрицательные ионы (называемые соответственно катионами и анионами, так как при опускании в воду электродов положительные ионы будут двигаться к катоду, а отрицательные к аноду), поэтому лучше указывать не солевой, а ионный состав морской воды. Главными катионами в ней являются Na⁺ (1,076%), Mg²⁺ (0,13%), Ca²⁺ (0,041%), К⁺ (0,039%) и Sr²⁺ (0,001%), а главными анионами - Cl^- (1,935%), SO^2-₄ (0,27%), HCO^-₃ (0,014%), Br^- (0,007%) и CO^2-₃ (в среднем 0,007%). Катионов немного больше, так что морская вода имеет слабощелочную реакцию. Ее принято характеризовать водородным показателем pH - взятым с обратным знаком десятичным логарифмом концентрации ионов водорода (H⁺) в грамм-ионах на литр; для кислого раствора pH<7, нейтрального pH=7 и щелочного pH>7. В морской воде pH обычно изменяется в пределах 7,5 - 8,5.

В морской воде растворен также ряд газов, причем более пресные и более холодные воды поглощают больше газов. В верхнем слое океана при равновесии с атмосферой в 1 л воды содержится в среднем 50 мл CO₂, 13 мл N₂, 2 - 8 мл O₂, 0,32 мл Ar и малые количества других благородных газов. Всего в океане при равновесии с атмосферой растворено 140 триллионов т CO₂ - почти в 60 раз больше его содержания в атмосфере (равного 2,6 триллионов т), а растворенного кислорода - лишь 8 триллионов т - в 130 раз меньше его содержания в атмосфере.

Содержание растворенной углекислоты - это главный фактор, определяющий pH морской воды. В океане оно поддерживается около одного и того же уровня благодаря равновесию между нерастворимым карбонатом кальция CaCO₃ и растворимым бикарбонатом Ca(CO₃)₂; при недостатке CO₂ "лишний" бикарбонат превращается в карбонат и выпадает в осадок, а при избытке CO₂ карбонат превращается в бикарбонат и растворяется. Второй из этих процессов всегда идет в холодных водах океана на глубине в среднем >4 км - на таких глубинах на дне не может образовываться карбонатных осадков. Первый же процесс, происходящий, например, в самых верхних слоях океана при поглощении CO₂ фотосинтезирующими зелеными водорослями, приводит к образованию на глубинах <4 км карбонатных осадков, т. е. к "захоронению" углерода в настоящее время со скоростью около 250 млн. т в год (по А. П. Виноградову). Полное количество "захороненного" таким путем углерода оценивается в 5·10⁴ триллионов т.

Земная кора. Это верхний слой твердой Земли, отделенный от нижележащих слоев так называемой поверхностью Мохоровичича, при переходе через Которую сверху вниз меняется химический состав вещества и происходит скачкообразное увеличение скорости распространения упругих волн (волн P - от 6,8 - 7,3 в некоторых регионах - от 7,4 - 7,7 до 8,1 - 8,4 км/с, а волн S - от 3,7 - 4,1 до 4,4 - 4,7 км/с).

Если принять среднюю мощность коры равной 33 км, а среднюю плотность вещества в ней - 2,8 г/см³, то масса коры получится равной 4,7·10⁷ триллионов т (около 0,8% массы всей Земли).

Породы земной коры по своему происхождению делятся на три следующих типа:

1) изверженные, образовавшиеся в результате застывания расплавленной магмы;

2) осадочные, возникшие путем осаждения на дно водных бассейнов частиц пород, разрушенных действием ветра, воды и других агентов и перенесенных в водные бассейны реками или ветрами, а также растворенных веществ и остатков организмов;

3) метаморфические, сформировавшиеся из изверженных и осадочных пород в результате их сильного изменения и перекристаллизации (с возможным притоком или оттоком только углекислоты и воды), главным образом под действием высокой температуры и большого давления в глубоких слоях земной коры.

Изверженные породы классифицируются по количеству содержащегося в них кремнезема, т. е. двуокиси кремния SiO₂. При наличии не более 45% SiO₂ породы называются ультраосновными, или гипербазитами. Главные минералы в них - оливины и пироксены. Наиболее чистой оливиновой породой является дунит, менее чистые разновидности называются перидотитом.

Породы, содержащие 45 - 55% SiO₂, именуются основными. Это мелкозернистые базальты и крупнозернистые габбро и эклогиты. Главные минералы - кальциевый полевой шпат плагиоклаз - анортит и пироксены.

При 55 - 65% SiO₂ породы называются промежуточными. Это мелкозернистые андезиты и трахиты и крупнозернистые диориты, гранодиориты, сиениты и гнейсы. Главные минералы - натриевый и калиевый полевые шпаты плагиоклаз-альбит и ортоклаз.

Наконец, при содержании более 65% SiO₂ породы называются кислыми. Это мелкозернистые риолиты и крупнозернистые граниты и гнейсы. Главные минералы - ортоклаз и кварц.

Осадочные породы - это конгломераты, песчаники, сланцы и осадки; последние включают глины, известняки (содержащие главным образом углекислый кальций), доломиты, гипсы, ангидриты, соли.

Рис. 5. Химический состав земной коры (по А. П. Виноградову)

Кора состоит из легкоплавких силикатов с преобладанием алюминиевых - сиаль. Концентрации основных химических элементов в земной коре, по А. П. Виноградову, показаны на рис. 5. Больше всего в коре кислорода (49,13%), кремния (26%) и алюминия (7,45%). Наиболее распространенный элемент - кислород - содержится в коре, конечно, не в свободном виде, а в форме окислов: в коре в среднем 58% SiO₂, 15% Al₂O₃, 8% FeO и Fe₂O₃, 6% CaO, по 4% MgO и Na₂O, 2,5% K₂O в т. д. Специально следует подчеркнуть содержание главных долгоживущих радиоактивных изотопов урана (²³⁸U и ²³⁵U), тория (²³²Th) и калия (⁴⁰K). Их концентрации в разных породах коры различны, но отношения (Th/U∼4 и K/U∼10^-4) приблизительно постоянны; больше всего их в гранитах (концентрация урана достигает 4,75·10^-6), вдвое меньше в осадочных породах (2,5·10^-6), еще меньше в базальтах (6·10^-7) и меньше всего в перидотитах (1,6·10^-8) и дунитах (1·10^-9).

Рис. 6. Экваториальный разрез земной коры (по Р. М. Деменицкой) 1 - осадки; 2 - граниты; 3 - базальты; 4 - мантия

Приводившиеся цифры относились к земной коре в целом. Однако континентальная кора резко отличается от океанской - ее мощность значительно больше (25 - 75 км против 6 - 8 км); она содержит так называемый гранитно-метаморфический слой, отсутствующий в океанской коре; отличается и по некоторым формам рельефа. Общее представление о структуре земной коры дает ее экваториальный разрез, приводимый на рис. 6.

Опишем типичный разрез континентальной коры. Ее верхний слой средней мощностью 3 км образуют осадочные породы плотностью 2,5 г/см³, в которых скорость распространения волн P растет с глубиной от 2 до 5 км/с. Далее идет гранитно-метаморфический слой средней мощностью 17 км с плотностями 2,6 - 2,8 г/см³ и скоростями c_p=5,5÷6,5 км/с (по некоторым данным, он отделяется от нижележащего слоя заметной границей, которую называют поверхностью Конрада); в этом слое сосредоточена основная радиоактивность земной коры. Наконец, ниже находится так называемый базальтовый слой средней мощностью 15 км с плотностью 2,9 - 3,3 г/см³ и скоростями c_p=6,4 - 7,3 км/с.

Совсем иначе выглядит типичный разрез океанской коры. Под слоем рыхлых осадков средней мощностью 0,7 км со скоростями c_p=1,5 - 1,8 км/с в ней выделяют так называемый второй слой средней мощностью 1,7 км со скоростями c_p=2,1 - 5,5 км/с - по-видимому, преимущественно базальты. Ниже находится третий слой средней мощностью около 5 км со скоростями c_p≈6,7 км/с, состоящий, вероятно, в основном из серпентинитов, образующихся при гидратации (реакции с водой) горячих мантийных гипербазитов.

Отметим два типа форм рельефа, специфических для поверхности океанской коры. Это, во-первых, уже упоминавшиеся срединно-океанские хребты (рис. 4 свидетельствует, что они являются срединными в Атлантическом и Индийском океанах, в Тихом же океане соответствующий хребет проходит по южной и восточной периферии). Эти хребты сложены базальтами, на их осях имеются рифтовые долины - провалы с крутыми стенками, на дне которых поверхность Мохоровичича, выклинивающаяся к осям хребтов, выходит на поверхность дна. В отличие от горных хребтов геосинклинальных подвижных поясов суши, являющихся зонами бокового сжатия земной коры, срединно-океанские хребты являются зонами ее растяжения. Во-вторых, для океанов специфичны узкие глубоководные желоба, также показанные на рис. 4. Их ширина исчисляется всего десятками километров, а длина - сотнями и даже тысячами километров. Глубинны желобов 9 - 11 км являются наибольшими в Мировом океане. Располагаются они на перифериях океанов, в ряде случаев окаймляя с океанской стороны островные дуги. Таковы, например, Курило-Камчатский и Алеутский желоба. Перуано-Чилийский желоб, наоборот, окаймляет непосредственно континент. Над континентальными склонами желобов наблюдаются отрицательные гравитационные аномалии порядка 100 - 200 мгал; с обеих сторон от них, особенно с континентальной стороны, протягиваются полосы более слабых положительных аномалий.

Литосфера и астеносфера (верхняя мантия). По имеющимся данным, на глубинах 60 - 250 км базальты могут быть расплавленными. Этот близкий к плавлению или даже содержащий расплавы легкоплавких пород в твердом скелете тугоплавких пород ослабленный (т. е. обладающий пониженной прочностью) слой называется астеносферой. Ее существование было обнаружено Б. Гутенбергом по уменьшению в ней скоростей распространения упругих волн. Под континентами она занимает глубины в среднем 120 - 250 км, под океанами - 60 - 400 км, а под осями срединно-океанских хребтов подходит к поверхности дна. Вязкость веществ в астеносфере в сотни или даже тысячи раз меньше, чем в вышележащем жестком слое - литосфере.

Для более полного понимания состояния вещества на глубинах нужно знать его химический и минералогический состав. Предполагается, что мантия Земли состоит из тугоплавких силикатов с преобладанием магниевых - сима. А. Рингвуд предложил для вещества мантии минералогическую модель пиролита - смесь трех частей альпийского перидотита и одной части гавайского базальта.

Многое о структуре литосферы можно почерпнуть из данных об очагах землетрясений. Во-первых, очаги большинства землетрясений (72%) находятся в литосфере, из них немного больше половины - в верхних 30 км; землетрясений с очагами на промежуточных глубинах (80 - 300 км) - 22%, на больших глубинах (350 - 720 км) - только 6%. Во-вторых, на карте (рис. 7), где нанесены очаги около 29 500 умеренных и сильных землетрясений, зарегистрированных в 1961 - 1967 гг., видно, что подавляющее большинство очагов находится в узких подвижных поясах - Альпийско-Гималайском, Тихоокеанском и в рифтовых зонах срединно-океанских хребтов, Байкала и Кении, а разделяемые этими подвижными поясами литосферные плиты практически асейсмичны.

Рис. 7. Очаги умеренных и сильных землетрясений, зарегистрированных в 1961 - 1967 гг.

Очаги всех землетрясений в рифтовых зонах срединно-океанских хребтов (и на поперечных им трансформных разломах, см. рис. 4) неглубоки - не глубже 40 км, большинство же очагов имеет глубины 5 - 10 км. Почти все землетрясения с очагами глубже 100 км происходят вдоль глубоководных желобов, с их континентальной стороны (а также, в порядке исключения, в Памиро-Гиндукушском районе); там же находится большинство действующих вулканов (рис. 8).

Рис. 8. Расположение действующих вулканов

На основании сейсмических и некоторых других данных выделяются прежде всего шесть крупных литосферных плит: Евроазиатская, Африканская, Индоавстралийская, Тихоокеанская, Американская и Антарктическая. Далее, из Евроазиатской выделяют Китайскую, из Африканской - Аравийскую, из Тихоокеанской - плиту Назка. Наконец, некоторые авторы рассматривают в качестве самостоятельных плиты Кокос, Карибскую, Горда, Филиппинскую, Бисмарк, Соломонову, Фиджи, Иранскую, Турецкую, Эллинскую и Адриатическую, а иногда также различают Североамериканскую и Южноамериканскую. Эти плиты показаны на рис. 9.

Рис. 9. Литосферные плиты: 1 - Евроазиатская (1, а - Китайская; 1, б - Иранская; 1, в - Турецкая; 1, г - Эллинская; 1, д - Адриатическая); 2 - Африканская (2, а - Аравийская); 3 - Индоавстралийская (3, а - Фиджи; 3, б - Соломонова); 4 - Тихоокеанская (4, а - Назка; 4, б - Кокос; 4, в - Карибская; 4, г - Горда; 4, д - Филиппинская; 4, е - Бисмарк); 5 - Американская (5, а - Североамериканская; 5, б - Южноамериканская); 6 - Антарктическая

Мантия. Верхняя мантия (слой 5), включающая подкоровую литосферу и астеносферу, отделена от средней мантии (слоя С, называемого также слоем Голицына) границей на глубине около 410 км, при переходе через которую сверху вниз сейсмические скорости резко возрастают.

Предполагают, что на этой глубине кристаллическая решетка некоторых минералов пиролита перестраивается и сторону более плотной упаковки атомов - оливины переходят в структуру шпинели с возрастанием плотности на 7 - 10%, а пироксены - в гранаты с увеличением плотности на 10%. На глубине около 650 - 700 км в слое Голицына наблюдается еще одно возрастание скорости распространения сейсмических волн, которое связывают с переходом кристаллической решетки кварца в более плотно упакованную решетку стишоверита.

Слой Голицына отделен от нижней мантии (слоя D′) границей на глубине около 1000 км, где возрастание скоростей распространения сейсмических волн с глубиной резко замедляется. Считают, что в слое D′ это более медленное возрастание скоростей создается уже не перестройкой кристаллических решеток, а простым сжатием вещества под действием растущего давления. Между нижней мантией и ядром, по-видимому, имеется переходный слой D″ толщиной около 200 км, в котором возможно некоторое убывание скоростей сейсмических волн с глубиной. Дискутируется вопрос о наличии на границе между мантией и ядром неровностей или неоднородностей.

Ядро. Внешний слой (слой E на глубинах 2920 - 4980 км объемом 15,16% и массой 29,8% всей Земли) пропускает продольные, но не поперечные сейсмические волны. По этой причине считается, что слой E находится в расплавленно-жидком состоянии. Об этом же свидетельствуют данные: о приливных колебаниях внутри Земли (если бы вся Земля была твердой, то приливные колебания на ее поверхности были бы слабее фактически наблюдаемых); о нутационных колебаниях земной оси с периодом около суток (которые без жидкого ядра были бы невозможными); о так называемых чандлеровских колебаниях полюсов (т. е. колебаниях Земли в целом относительно ее оси вращения) с периодом около 1,2 года.

Переходный слой F между внешним и внутренним ядром имеет толщину около 140 км. Внутреннее ядро имеет радиус 1250 км, объем около 0,7% и массу около 1,2% всей Земли. Продольные сейсмические волны проходят через него с большими скоростями, по сведениям последних лет c_p=11,1-11,4 км/с. В то же время данные об отражениях волы P от поверхности внутренней части ядра, а также регистрация сейсмических волн Аляскинского землетрясения 1964 г. показывают, что через нее проходят и поперечные волны (имея здесь довольно малые скорости c_s≈3,6 км/с); но этим данным внутренняя часть ядра является твердым телом, по-видимому, близким к плавлению.

Распределение скоростей сейсмических волн по глубинам в мантии и ядре Земли показано на рис. 10. Распределение по глубинам давления и плотности по модели "Земля-2" В. Н. Жаркова, В. П. Трубицына и П. В. Самсоненко (а также температуры по ориентировочным данным) приведено в табл. 1.

Рис. 10. Распределение скоростей сейсмических волн P и S (в усл. ед.) по глубинам в мантии и в ядре Земли (по Б. Гутенбергу)

Давление должно меняться с глубиной непрерывно, а плотность (и некоторые другие характеристики состояния вещества, такие как модули сжатия и сдвига и скорости распространения сейсмических волн; см. рис. 10) может испытывать и скачкообразные изменения - главный такой скачок происходит при переходе из нижней мантии во внешний слой ядра, где плотность возрастает почти вдвое.

Таблица 1. Давление, плотности и температура в недрах Земли

Еще в конце прошлого века высказывалось предположение, что земное ядро, как и железные метеориты (содержащие 89,1% Fe, 7,2% Ni и 3,7% FeS), состоит из железоникелевого сплава - нифе. Для объяснения измеренных астрономами средних плотностей вещества Меркурия, Венеры, Марса и Луны (при условии существования у них железных ядер) надо было отказаться от привлекательной космогонической гипотезы об одинаковом химическом составе планет земной группы, т. е. одинаковом содержании в них железа. Пытаясь отстоять гипотезу, В. Н. Лодочников и затем В. Рамзей предположили, что ядра планет земной группы, как и их мантии, состоят из силикатов, но в особо плотном металлизированном состоянии. Однако детальные расчеты показали, что гипотезу об одинаковом химическом составе этих планет сохранить не удается. Более того, и некоторые теоретические расчеты, а также опыты группы Л. В. Альтшулера по ударному сжатию ряда веществ не подтвердили гипотезу металлизации силикатов при физических условиях, свойственных ядрам планет земной группы; наоборот, эти опыты дали свидетельства в пользу высокого содержания железа в земном ядре. Правда, оказалось, что плотность железа и тем более железоникелевого сплава немного больше, а скорость c_p в них заметно меньше, чем нужно для земного ядра. Поэтому в железное ядро надо добавить более легкие химические элементы. Перебрав самые подходящие из них (O, S, Si, Al), О. Г. Сорохтин (1971) признал наиболее вероятным кислород и подобрал по плотности внешнего слоя ядра его химический состав (Fe₂O), совместимый со структурой электронных оболочек железа при соответствующих давлениях.

Таким образом, Земля представляет собой сложную механическую систему - вращающийся толстостенный шар (мантия) с внутренней полостью, заполненной жидкостью (слой E), в которой плавает небольшое шарообразное твердое ядро G, удерживаемое в центре системы силами ньютоновского тяготения и могущее вращаться иначе, чем мантия.

И внешний слой, и внутренняя часть ядра обладают большой электропроводностью (для их электрического сопротивления обычно принимают значение 0,0003 Ом·см). Поэтому движения жидкости во внешнем слое и вращение внутренней части ядра суть движения проводников в геомагнитном поле. По законам физики эти движения должны порождать электрические токи, магнитное поле которых может прибавляться к начальному полю и усиливать его. Согласно современным воззрениям, именно динамо-механизм, возможный благодаря наличию жидкого внешнего ядра, создает геомагнитное поле. К обсуждению этого вопроса мы еще вернемся в главе 8.