Все три фундаментальных слоя – ядро, мантия и литосфера – подразделяются в свою очередь на два крупных слоя. Ядро раздваивается на внутреннее и внешнее, мантия – на верхнюю и нижнюю, литосфера – на литосферную мантию и земную кору. При этом более глубинный слой оказывает формирующее воздействие на более поверхностный и одновременно – на все вышележащие слои. Земля – единое целое, и состояния каждого слоя находятся в зависимости от состояний других слоёв.
В основе внутреннего строения Земли лежит земное ядро. Ядро чётко выделяется на приборах, регистрирующих прохождение сквозь тело планеты сейсмических волн. Пронизывая Землю, эти волны оставляют на экранах приборов чёткую тень. Продольные и поперечные волны, возникающие в мантии, отражаются ядром, причём поперечные в нём полностью затухают, а скорость продольных уменьшается в 1,7 раза. Анализ данных этого сейсмически ориентированного способа восприятия позволяет убедительно доказать жидкое, вязкое состояние внешней части земного ядра. Изменение характера и скорости движения волн по мере приближения к центру Земли доказывает наличие внутренней твёрдой жёсткой части ядра. Диаметр этой внутренней жёсткой части составляет 2200–2600 км, толщина (мощность) внешней жидкой части – 2200 км. Общая масса ядра достигает 31–32 % от всей масса Земли, а его диаметр – более трети от диаметра Земли. Внутреннее ядро (ядрышко), по современным расчётам, состоит на 80 % из железа и на 20 % из никеля. Внешняя жидкая часть ядра представляет собой расплав железа с примесью никеля и серы.
Внутренняя часть ядра характеризуется весьма высоким давлением, плотностью вещества и температурой. Существуют различные мнения учёных по поводу температуры в центре Земли, но все согласны, что она превышает 4000 °C. Во внешней части ядра температура несколько ниже – около 3500 °C, и давление также ниже. Высокое давление и температура ядра обычна для любых космических объектов, поскольку они возникают путём сгущения газопылевых облаков, а их ядра, приобретая мощное поле тяготения, разогреваются до высоких температур при высоком давлении и управляют образованием поверхностных слоёв.
Ядро Земли «одето» в мантию (от греч. «покрывало», «плащ») – так в Средневековье называли торжественное одеяние, роскошную накидку, которая по моде того времени была настолько длинной, что её несли на королевских приёмах специально выделенные пажи. Мантия Земли – самая широкая (мощная) её оболочка, она охватывает почти 2/3 её массы и 83 % объёма. Толщина мантии – около 2900 км. Как и ядро, мантия подразделяется на два слоя – верхнюю и нижнюю части. Толщина нижней части мантии – около 2000 км, верхней – около 900. В отличие от ядра, мантия состоит главным образом из силикатов – соединений на основе кремния, среди которых наиболее широко распространён минерал оливин. Средняя температура вещества мантии – от 2000 до 2500 °C.
Плотность и вязкость вещества мантии возрастает с глубиной вследствие давления сверху, вызывающего перестройку атомов и молекул. Особенно сильное уплотнение силикатов происходит на глубине от 400 до 1000 км от поверхности Земли. Если кристаллический кремний на поверхности имеет плотность2,53 г/см3, то на этих глубинах его плотность увеличивается до 4,25 г/см3. В мантии происходит образование магмы (от греч. «густая мазь») – расплавленного вещества, вытекающего при извержениях вулканов.
Вещество мантии может в одних местах находиться в жидком состоянии, в других – в твёрдом. Высокая температура мантии приводит к плавлению силикатов и их переходу в жидкое состояние. По мере же роста давления возникает тенденция к кристаллизации, и мантийное вещество твердеет. Тяжёлая и плотная литосфера постоянно давит на верхнюю мантию, как бы плавая в её поверхностном слое, именуемом астеносферой (от греч. «астенос» – слабый).
Астеносфера слаба по сравнению с литосферой, фактически её образует именно давление литосферы на поверхностный слой мантии. Астеносфера продавливается литосферой, и части литосферы легко скользят по ней, увлекаемые глубинными потоками мантии. Толщина астеносферы, нередко превышает толщину литосферы, доходя до 100 км под континентами и около 50 км – под океанами. Это и обеспечивает медленные горизонтальные перемещения литосферных плит.
Вещество астеносферы представляет собой вязкую жидкость с температурой около 1500 °C в слое, подогреваемом верхней мантией, а при контакте с литосферой её температура падает до 500 °C. Этот контактный слой, на который опирается литосфера, геологи называют границей Мохо в честь сербского сейсмолога А. Мохоровича, который в 1908 г. расчитал глубину погружения литосферы в мантию. Эта граница проходит на глубине 35–45 км под равнинными районами земной суши, 70 км – под горными цепями и 5-10 км – под дном океанов.
Литосфера, астеносфера и верхняя мантия подобны своеобразному «бутерброду», роль «масла» в котором играет астеносфера, но все три слоя подвижны друг относительно друга.
Литосфера (от греч. «литос» – камень) состоит из земной коры и литосферной мантии, т. е. охлаждённой и затвердевшей части мантии, лежащей над астеносферой. Она не представляет собой сплошной массы, как ядро или мантия, а является крайне неоднородной как по строению, так и по составу. Движения литосферных плит определяют структуру земной коры, формируют горы, равнины на суше, дно морей и океанов.
Земная кора очень тонка, её масса составляет всего лишь 0,05 % от общей массы Земли. Но эта тонкая оболочка, разрабатываемая и присваиваемая человеком, составляет вещественную основу человеческой цивилизации, её природно-ресурсного потенциала.
Поверхность земной коры формируется под действием трёх факторов. Движения частей литосферы формируют особенности рельефа. Неровности рельефа подвергаются сглаживанию процессами выветривания и разрушения горных пород. Осаждения пород образует накопление осадочных слоёв, которые, нарастая, засыпают и погребают под собой более древние формы рельефа.
Земная кора подразделяется на континентальную и океаническую, резко отличающиеся друг от друга. Континентальная кора значительно толще и древнее, её граница Мохо, обозначающая соприкосновение с астеносферой, проходит на глубине 35–45 км под равнинами суши, в горных же районах она достигает 70 км, но может опускаться и ниже. Возраст же континентальной коры составляет миллиарды лет. Эта кора начала формироваться в процессе тектонической активности Земли около 4 млрд. лет назад. Уже около 2,6 млрд. лет назад было сформировано около 70 % нынешней континентальной коры, а остальная часть коры формировалась в последующее время и формируется сейчас.
В большинстве случаев континентальная кора складывается из трёх слоёв: нижнего базальтового, среднего гранитного и верхнего осадочного. Переход базальтового слоя в гранитный пролегает на глубине от 5 до 35 км и называется границей Конрада в честь австрийского геофизика В. Конрада, впервые определившего эту границу по схожести прохождения продольных сейсмических волн. Верхний осадочный слой образуется в течение многих тысячелетий осадочными породами, состоящими главным образом из минералов, т. е. химических соединений, возникших в «химической лаборатории» Земли в процессе её естественной эволюции. К осадочным породам относятся песок, галька, камни, а также минерализованные останки живых организмов.
Океаническая кора, как правило, значительно тоньше и гораздо менее долговечна, чем континентальная. Она состоит главным образом из двух слоёв – базальтового и осадочного. Ширина океанической коры обычно не превышает 6–8 км, но в некоторых местах она увеличивается до 10–15 км, а в глубоких ущельях (рифтах) средне-океанических хребтов она снижается почти до нуля.
10.4. Мобилизм и глобальная тектоника плит
Одним из величайших достижений научной мысли в сфере геологии явилась теория мобилизма, выдвинутая и обоснованная выдающимся немецким геофизиком Альфредом Вегенером в 1912 г. Фактически мобилизм является распространением идеи эволюции в сферу геодинамики, причём в той форме этой идеи, которая предусматривает мобилизационную активность всего строения земной природы, начиная с ядра и кончая малыми и большими литосферными плитами, «плавающими» в раскалённом «океане» верхнего слоя мантии.
Идее мобилизма предшествовал целый ряд гипотез, авторы которых пытались объяснить геологические изменения чисто механическими причинами. Во второй половине XVIII века шотландский геолог Дж. Хаттон и российский учёный М. Ломоносов выдвинули гипотезу поднятий, согласно которой формирование геологических структур объяснялось давлением магмы и действием вулканических сил.
В середине XIX века более конкурентоспособной оказалась гипотеза сжатия (контракции), обоснованная в 1852 г. французским геологом Э. де Бомоном. Следуя в фарватере гипотезы Канта-Лапласа о формировании Земли путём сгущения горячего протопланетного облака, де Бомон предположил, что по мере остывания происходило уменьшение объёма Земли, вследствие чего твердеющая при охлаждении земная кора стала сминаться, коробиться и дробиться.
