Книга: Вам, земляне

Сейсмическая модель планеты

Сейсмическая модель планеты

Если бы Земля была однородной, сейсмические волны распространялись бы внутри нее по прямой. Иначе говоря, сейсмические лучи были бы прямолинейны, а скорость их — одинаковой. Изменения скорости и направления сейсмических лучей внутри Земли указывают на неоднородность земных недр.

Факт существования поверхностных поперечных волн свидетельствует о том, что в верхней части Земли имеется по крайней мере один слой (земная кора), отличающийся по плотности от нижележащих слоев. Детальное исследование поверхностных волн показало, что есть две разновидности, два типа земной коры. Первый тип — континентальный характеризуется большой толщиной верхнего слоя и малыми скоростями распространения поверхностных волн. Второй тип — океанический отличается от первого меньшей толщиной и соответственно большей скоростью распространения тех же волн.

В начале текущего века удалось доказать, что, начиная с глубины 3000 км, поперечные волны распространяться не могут. На этом основании был сделан вывод, что Земля имеет ядро, находящееся в расплавленном состоянии. Позже многолетние исследования сейсмических волн в конце концов позволили представить себе достаточно четко (хотя и не полно) строение недр нашей планеты. Рисунок 16 напоминает своеобразную рентгенограмму Земли, причем роль рентгеновских лучей в данном случае выполняют сейсмические волны.

Рис. 16. Разрез земного шара (по А. П. Виноградову). А — земная кора, В, С, D — верхняя, средняя и нижняя мантии, Е, F — внешнее и внутреннее ядра.

Прежде всего бросается в глаза слоистость Земли — расслоение ее недр на ряд сферических оболочек, различных и по физическим и по химическим свойствам.

Самый верхний, поверхностный слой — земная кора состоит из осадочных и кристаллических пород. Из химических элементов здесь преобладают кислород, кремний, алюминий, хотя горные породы включают все элементы таблицы Менделеева. Толщина континентальной земной коры 37–47 км, океанической 7—10 км. По сейсмическим данным, в континентальной коре можно выделить три слоя — осадочный, «гранитный» и «базальтовый». Названия эти несколько условны, так как состав слоев определен не прямым химическим путем, а по сейсмическим волнам. Океаническая кора двуслойна, она состоит из осадочного и «базальтового» слоев. И на материках, и на континентах кора разделена глубокими трещинами на исполинские плиты или блоки.

Под земной корой находится мантия — подкорковая оболочка Земли. Она простирается до глубины 1900 км и разделяется на верхнюю и нижнюю мантию (последняя начинается с глубины 1000 км). Поверхность раздела между мантией и земной корой получила наименование поверхности Мохоровичича (по имени исследовавшего ее югославского ученого). Средняя глубина залегания зоны Мохоровичича — около 33 км. Как и земная кора, мантия в целом находится в твердом состоянии. Лишь в отдельных лавовых «карманах» вещество мантии расплавлено до состояния магмы. Из этих «карманов» магма через жерла вулканов извергается на поверхность Земли.

Известно, что при спуске в шахты температура на каждый километр повышается примерно на 20 °C. Если бы такой прирост температуры продолжался до центра Земли, температура там превысила бы 100 000 °C. На самом деле она, по-видимому, в десять раз ниже, мантия в целом тверда, значит, источники тепла сосредоточены скорее всего в коре, и этими источниками являются распадающиеся радиоактивные вещества.

Верхняя мантия состоит из перидотита, ультраосновной породы, бедной кремнием, но богатой магнием и железом, а мантия в целом — из окислов магния, железа и кремния. Плотность мантии увеличивается с глубиной от 3,3 до 5,2 грамма на кубический сантиметр (г/см³). Соответственно повышается и температура мантии — от 500 °C на граничном слое Мохоровичича до 3800 °C в самых глубоких ее слоях. По некоторым предположениям около 20 % пород верхней мантии находится в жидком состоянии.

В последнее время область перехода земной коры в мантию стала именоваться тектоносферой. По-видимому, здесь из пород мантии «выплавляются» базальты нижнего слоя земной коры. Одновременно из вещества мантии выделяются газы и пары, пробивающие себе путь в атмосферу.

В верхней мантии на глубине 60—100 км есть слой пониженной плотности, где скорость распространения сейсмических волн понижается с 8,1 до 7,8 километра в секунду (км/с). Этот слой, играющий роль волновода, был назван астеносферой. Под океанами астеносфера простирается до глубины 400 км, под материками — до 250 км.

Центральная часть Земли, лежащая под мантией, называется ядром. На границе ядра плотность резко возрастает до 9,4 г/см³, а давление — до 0,13 млн. МПа. Физическая природа земного ядра не вполне ясна. Старая гипотеза о расплавленном железном ядре с различными современными ее вариантами до сих пор находит себе сторонников. Однако сейчас более популярна гипотеза силикатного ядра, предполагающая, что состав ядра сходен с составом мантии. В любом случае физическое состояние земного ядра необычно. В его центре давление достигает 360 000 МПа, и этому давлению соответствует температура 5000 °C. В такой физической обстановке вещество переходит в так называемую металлическую фазу — электронные оболочки разрушаются и образуется плотная плазма, насыщенная свободными электронами. Их кольцевые вихри, по-видимому, н порождают магнитное поле Земли.

Различают внешнее и внутреннее ядра. Граница между ними проходит на глубине около 5000 км. Внешнее ядро жидкое, расплавленное, плотность его около 10 г/см³. Плотность внутреннего твердого ядра достигает почти 14,5 г/см³.

«Вернувшись» из мрачных недр земного шара на его поверхность, мы встречаем еще одну его оболочку — гидросферу. Эта жидкая оболочка нашей планеты занимает 17 % ее поверхности. Мировой океан делит сушу на шесть крупных массивов (материков или континентов) и на множество островов, составляющих в общем 2 % земной поверхности. Средняя глубина Мирового океана —3790 м, наибольшая — 11 022 м. Вдаваясь в сушу, Мировой океан образует моря и заливы.

Примечательно и не случайно, что все материки (исключая Антарктиду) сужаются к югу. Северное полушарие Земли в основном материковое, Южное — океаническое. Есть и другие закономерности во внешнем облике Земли, объясняющиеся, как будет показано ниже, ее планетарной биографией. В гидросферу Земли входят также реки, озера и прочие водоемы. Испаряясь, вода гидросферы пополняет атмосферу — внешнюю газовую оболочку Земли. Смесь газов оболочки именуется воздухом. Состав воздуха нам хорошо знаком с детских лет (78 % общего объема атмосферы приходится на азот, 21 % — на кислород, около 1 % —на аргон, 0,03 % — на углекислый газ, остальное — разные примеси).

Хотя сейсмические волны не затрагивают атмосферу, связь ее с недрами Земли очевидна. Собственно, атмосфера Земли есть порождение ее недр. Она образована газами, выделившимися из твердого в целом тела Земли. Атмосфера частично рассеивается в мировое пространство, но на смену покинувшим Землю газам из земных недр приходят новые, особенно обильные во время вулканических извержений. Все оболочки Земли, и внешние и внутренние, не изолированы друг от друга, а находятся в постоянном, непрерывном взаимодействии.