Строение Земли и ее воздушной оболочки

Тело Земли имеет концентрически-зональное строение, в центре которого расположено ядро. Вокруг ядра размещаются концентрические оболочки, или геосферы, плотность которых скачкообразно увеличивается от поверхности Земли к ее центру.

Оболочки Земли подразделяют на внешние и внутренние. К внешним оболочкам относятся атмосфера, гидросфера и биосфера, а к внутренним — земная кора (литосфера), мантия и ядро. Концентрическое строение Земли объясняется процессами дифференциации вещества, которые происходят в ее недрах.



Детальное изучение внешних сфер Земли является содержанием специальных наук, таких, как метеорология, гидрология, биология. Однако основные сведения об атмосфере, гидросфере и биосфере необходимы и для изучения курса геологии. Соприкасаясь с поверхностью Земли, эти оболочки оказывают весьма разнообразное влияние на ход геологических процессов.

Атмосфера. Она представляет собой самую верхнюю воздушную оболочку Земли, которая охватывает ее сплошным покровом. Нижней границей атмосферы является поверхность Земли, а верхняя граница отчетливо не установлена, вследствие ее постепенного перехода в космическое пространство. Существование отдельных ионов воздуха устанавливается на высоте около 2000 км от поверхности Земли. Однако 90% всей массы атмосферы заключено в нижних слоях Земли до высоты 15 км от ее поверхности. Атмосфера состоит из смеси различных газов с резким преобладанием среди них азота (78,09%) и кислорода (20,95%). Кроме них присутствуют инертные газы: аргон, ксенон, неон, криптон, а также водород, углекислый газ, озон, метан, гелий, на долю которых в совокупности приходится менее 1%. Кроме того, в нижних слоях атмосферы содержится водяной пар, частицы вулканической, эоловой и космической пыли.

По современным представлениям, в атмосфере выделяют следующие пять основных слоев, или сфер: тропосферу, стратосферу, мезосферу, ионосферу и экзосферу. Для геологии наибольший интерес представляет самая нижняя ее сфера — тропосфера, непосредственно соприкасающаяся с земной поверхностью и поэтому оказывающая на нее весьма существенное влияние.

В отличие от других оболочек атмосферы тропосфера характеризуется большей плотностью, постоянным присутствием водяного пара, углекислоты и пыли. Для нее также характерно постепенное понижение температуры с высотой и существование в ней вертикальной и горизонтальной циркуляции воздуха.

Температурный режим тропосферы обусловлен теплом, получаемым ею от нагретой поверхности Земли. С высотой температура в атмосфере снижается в среднем на 0,5—0,6° на каждые 100 м. На высоте 10—12 км в среднем она равна -55°С.

Гидросфера. Она включает все воды морей и океанов, рек, озер, а также материковые льды Арктики и Антарктиды. С водами гидросферы тесно связаны и подземные воды. Ho тем не менее она, в отличие от других геосфер, не образует сплошной водной оболочки вокруг Земли. Гидросфера занимает 70,8% земной поверхности и образует Мировой океан. Средняя глубина гидросферы составляет 3,75 км, достигая наибольшей величины 11 км в районе Филиппинской впадины. Химический состав гидросферы характеризуется преобладанием двух элементов, кислорода и водорода, на долю которых приходится 96,69%, а на остальные элементы падает всего лишь 3,31%. Ho тем не менее, в водах морей и океанов растворено огромное количество различных солей, характеризующееся цифрой около 22 млн км3. В составе этих солей преобладают главным образом натрий и хлор, на долю которых приходится 3%. Таким образом, в составе гидросферы преобладают четыре элемента: кислород, водород, натрий и хлор, в совокупности составляющие 99,69% ее состава. Ho, вместе с тем, следует учесть, что гидросфера находится в тесном взаимодействии с другими геосферами Земли, поэтому в ее водах можно встретить в незначительных концентрациях все без исключения элементы периодической системы.

Биосфера. Под биосферой понимают область распространения жизни на Земле. В таком понимании она представляет собой тончайшую пленку толщиной 0,002—0,004 земного радиуса, не занимающую обособленного пространства, но в той или иной мере проникающую в атмосферу, гидросферу и поверхностные слои земной коры. Биосфера играет большую роль в эволюции Земли, участвуя как в создании горных пород, так и в процессах их разрушения. Она также влияет на эволюцию атмо- и гидросферы. Основоположник биогеохимии В.И. Вернадский, изучая биосферу и ее роль в перемещении, концентрации и рассеянии химических элементов в земной коре, пришел к выводу, что на земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей и более могущественной по своим конечным результатам, чем живые организмы, взятые в целом.

Границы распространения биосферы непостоянны и точно не установлены. Так, считают, что жизнь в атмосфере распространяется до высоты 8—10 км. Наиболее глубоко живое веществе проникает в гидросферу, которая практически вся заселена живыми организмами. Гидросферу часто называют «колыбелью жизни», предполагая, что именно в водной среде произошло зарождение жизни.

Многие микроорганизмы могут существовать при больших давлениях и высокой температуре. Так, например, споры некоторых микробов могут существовать при температуре +180° и давлении до 3000 атм., а дрожжи выносят давление до 8000 атм. Это позволяет считать, что жизнь проникает на весьма большие глубины, сотни и более метров. В.И. Вернадский считает, что биосфера проникает вглубь Земли до 3—4 км, считая от уровня геоида. По подсчетам Вернадского, уточненным впоследствии А.П. Виноградовым, общая масса живого вещества равна приблизительно 10в12 г, что составляет не более 1/100 000 доли процента от веса земной коры. Ho благодаря необыкновенной активности живых организмов, их роль в эволюции Земли чрезвычайно велика и вполне сопоставима с геологической деятельностью воды, ветра, льда и др.

В настоящее время на Земле насчитывается свыше 500 000 видов растений и свыше одного миллиона видов животных. Колоссальное количество микроорганизмов населяет все сферы Земли. Своей жизнедеятельностью организмы создают новые горные породы и минералы. Так, например, биохимическим путем возникли многие крупные скопления железных и марганцевых руд, а также месторождения фосфоритов и т. д.

Под влиянием внедрения в поверхностные слои земной коры различных биологических факторов образуются почвы — природные тела, обладающие замечательным свойством — плодородием.



По современным представлениям Земля состоит из трех геосфер: земной коры, мантии и ядра (рис. 2).

Земная кора. Земная кора является самой наружной твердой оболочкой Земли и по сравнению со всеми другими внутренними ее оболочками она характеризуется наиболее неоднородным строением. По глубине в ней выделяются сверху вниз три слоя: осадочный, гранитный и базальтовый.

Осадочный слой преимущественно сложен относительно мягкими, иногда и рыхлыми горными породами, которые образовались в результате осаждения вещества в водных или воздушных условиях на поверхности Земли. Для большинства осадочных горных пород характерно слоистое строение, т. е. залегание их в виде сравнительно тонких слоев (пластов), ограниченных параллельными плоскостями.

Плотность горных пород осадочного слоя колеблется от 1 до 2,65 г/см3. Также не постоянна мощность осадочного слоя, которая изменяется от нескольких метров до 10—15 км. Наблюдаются участки, где осадочный покров полностью отсутствует.

Гранитный слой преимущественно сложен магматическими и метаморфическими породами, в составе которых преобладают алюминий и кремний. Среднее содержание кремнекислоты в них превышает 60%, поэтому их называют кислыми породами. Плотность пород этого слоя колеблется в пределах от 2,65 до 2,80 г/см3. Мощность слоя крайне изменчива. Наибольшей мощности, в 50—70 км, гранитный слой достигает под современными горными хребтами (Памир, Альпы), в то время как под океаническими впадинами, например, на дне Атлантического и Индийского океанов, этот слой совершенно отсутствует либо его мощность крайне незначительна. Сейсмические волны проходят гранитный слой со скоростью 6 км/сек, скачкообразно возрастая до 6,5 км/сек у нижней его границы (граница Конрада).

Базальтовый слой залегает непосредственно под гранитным и присутствует повсеместно. Мощность его колеблется от 5 до 30 км. По химическому составу и физическим свойствам вещество этого слоя приближается к базальтам, т. е. к основным породам, в которых содержание кремнезема гораздо меньше, чем в гранитах. Плотность вещества в этом слое возрастает до 3,32 г/см3. Скорость продольных сейсмических волн постепенно возрастает, доходя у нижней границы слоя до 7 км/сек. Нижняя граница базальтового слоя принимается за нижнюю границу земной коры. Характерно, что у этой границы скорость волн скачкообразно возрастает до 8,0—8,2 км/сек, и она еще называется границей Moxopoвичича, по имени югославского ученого, который впервые установил ее.

Земная кора весьма неоднородна как по составу, так и по мощности. Так, например, под некоторыми океанами она состоит из маломощного осадочного слоя, под которым залегает базальтовый слой мощностью от 5 до 15 км. Под континентами земная кора обычно представлена всеми тремя слоями: осадочным, гранитным и базальтовым, и достигает мощности 40—50 км. Под некоторыми молодыми горными сооружениями ее мощность еще больше и достигает 80 км.

Мантия Земли. Она представляет собою следующую за литосферой геосферу Земли. Иногда ее называют подкоровым субстратом, или промежуточной геосферой. Мощность ее очень велика и занимает пространство от 8—80 до 2900 км.

На основании изменения скорости распространения продольных сейсмических волн в толще мантии выделяют три слоя: верхний «В», расположенный на глубинах от 8—80 до 400 км; переходный «С» — на глубинах от 400 до 900 км, и нижний «Д» — с глубиной до 2900 км.

Слой «В», или верхняя мантия, состоит в основном из железисто-магнезиальных силикатов типа минералов оливина и пироксена. Щелочная базальтовая лава, поднимающаяся с больших глубин, иногда захватывает и выносит на поверхность отдельные обломки вещества верхней мантии, отвечающие по составу ультраосновным породам.

С верхней мантией связаны явления вулканизма, многие землетрясения и тектонические процессы, поэтому изучению ее в последнее время уделяется большое внимание. В настоящее время в бывш. СССР и других странах разработаны проекты бурения сверхглубоких скважин, которые должны дойти до верхней мантии. Такую скважину предполагают пробурить в районе Кольского полуострова, где на поверхность выходят наиболее древние архейские породы. Для разработки методики бурения подобных скважин одна сверхглубокая скважина с проектной глубиной 7 км заложена в районе Прикаспийской низменности.

В переходном слое «С» давление достигает 246 тыс. атм. Поэтому вещество здесь находится в твердом состоянии и обладает плотностью 4,68 г/см3. Скорость прохождения продольных сейсмических волн в этом слое возрастает от 9 до 11,4 км/сек.

Нижний слой мантии «Д» характеризуется, как предполагают, однородным составом и состоит из вещества, богатого окислами железа, магния и в меньшей степени алюминия и титана. Плотность вещества в нем увеличивается or 5,69 до 9,4 г/см3. Продольные сейсмические волны проходят со скоростью 11,4—13,6 км/сек.

Граница между мантией и ядром достаточно четко устанавливается на глубине 2900 км, где имеет место преломление и частичное отражение продольных сейсмических волн.

Ядро Земли. По расчетам ученых, плотность ядра Земли должна соответствовать плотности железа в соответствующих условиях давления. Поэтому в настоящее время широко распространено представление о железо-никелевом составе ядра, обладающего магнитными свойствами. Присутствие в ядре этих тяжелых металлов связывают обычно с первичной дифференциацией вещества по удельному весу.

По современным представлениям, ядро разделяют на внешнюю и внутреннюю части. Во внешней части ядра давление определяется в 1,5 млн. атм. Плотность вещества составляет 12 г/см3. Продольные сейсмические волны здесь проходят со скоростью от 8,1 до 10,4 км/сек, уменьшаясь до 9,5 км/сек внутри внешнего ядра.

Во внутреннем ядре давление достигает 3,5 млн. атм., плотность вещества резко возрастает до 17,3—17,9 г/см3. По-видимому, повышение плотности вещества во внутреннем ядре связано с разрушением под влиянием больших давлений электронной оболочки у некоторой части атомов и их сближением на значительно меньшие расстояния, чем это возможно при обычных условиях.

Благодаря опытам по влиянию высоких давлений на температуру плавления металлов, в настоящее время установлено, что ряд металлов, в том числе железо с примесью никеля и кремния, при давлениях 300 000 атм. и выше переходит в жидкое состояние при относительно невысоких температурах (уже при 1000°C).

В связи с этим сейчас существует представление о том, что ядро Земли в основном состоит из жидкого железа с существенной примесью никеля и кремния. Такой же состав имеет, вероятно, и внутреннее ядро, но оно находится в твердом состоянии.