Более детальный взгляд на геосферу

В этом и следующем разделах мы познакомимся с основами строения твердой Земли. Вы узнаете больше о внутреннем и внешнем «устройстве» нашей планеты и поймете, что геосфера — это динамичная система. Диаграммы помогут вам визуализировать внутреннюю структуру геосферы и её основные поверхностные особенности, поэтому изучите их внимательно.

Мы начнем с рассмотрения внутренней части Земли — её структуры и движения. Затем кратко изучим поверхность твердой Земли. Хотя такие элементы поверхности, как горы и речные долины, знакомы большинству из нас, области, скрытые на дне океана, остаются для многих загадкой.

Внутренняя структура Земли. На ранних этапах истории Земли, когда планета была очень горячей, разделение веществ по плотности привело к формированию трех основных слоев:
- кора,
- мантия,
- ядро.

Помимо этого, Земля также разделяется на слои по физическим свойствам. Эти свойства включают:
- твердое или жидкое состояние слоя,
- его прочность или пластичность.

Знание обоих типов слоев (составных и физических) важно для понимания строения нашей планеты. На рис. 1.15 представлено обобщение этих двух типов слоев, которые характеризуют внутреннюю структуру Земли.

Рис. 1.15. Слои Земли. Строение недр Земли

Земная кора. Земная кора — это относительно тонкая, каменистая внешняя оболочка нашей планеты. Она делится на два основных типа: континентальная кора и океаническая кора. Несмотря на общее название, между ними есть существенные различия.

- Океаническая кора имеет толщину около 7 километров (5 миль) и состоит из темной магматической породы — базальта.

- Континентальная кора значительно толще: в среднем её толщина составляет около 35 километров (22 мили), а в горных регионах, таких как Скалистые горы и Гималаи, может превышать 70 километров (40 миль).

Различия в составе и свойствах:
- Океаническая кора имеет относительно однородный химический состав.
- Континентальная кора, напротив, состоит из множества различных типов пород. Верхняя часть континентальной коры в среднем имеет состав, близкий к гранитной породе (гранодиорит), но он может сильно варьироваться в зависимости от местоположения.

Плотность и возраст:
- Континентальные породы имеют среднюю плотность около 2,7 г/см³, а некоторые из них являются древнейшими на планете — их возраст превышает 4 миллиарда лет.
- Породы океанической коры значительно моложе (не старше 180 миллионов лет) и плотнее (около 3,0 г/см³), чем континентальные.

Таким образом, хотя оба типа коры образуют внешний слой Земли, их состав, толщина, плотность и возраст существенно различаются.

Мантия Земли. Мантия — это твердая, каменистая оболочка Земли, которая составляет более 82% её объема. Она простирается от границы с корой вниз на глубину почти 2900 километров (1800 миль).

Граница между корой и мантией. На границе коры и мантии происходит заметное изменение химического состава. Если кора состоит из более легких пород, то мантия характеризуется преобладанием перидотита — породы, богатой магнием и железом. Эти элементы делают мантию плотнее и тяжелее, чем материалы коры.

Строение верхней мантии. Верхняя мантия простирается от границы с корой до глубины около 660 километров (410 миль). Её можно разделить на две основные части:

1. Литосфера — верхняя часть верхней мантии, которая вместе с земной корой образует жесткий внешний слой Земли.

2. Астеносфера — более слабый и пластичный слой, расположенный под литосферой. Именно здесь происходит медленное движение материала, которое влияет на тектонические процессы.

Таким образом, мантия играет ключевую роль в динамике нашей планеты, обеспечивая движение литосферных плит и другие геологические процессы.

Литосфера («сфера камня») состоит из всей коры и самой верхней мантии и образует относительно холодную, жесткую внешнюю оболочку Земли. Толщина литосферы составляет в среднем около 100 километров (60 миль), а под самыми старыми частями континентов она составляет более 250 километров (150 миль) (см. рис. 1.15). Под этим жестким слоем на глубине около 350 километров (220 миль) лежит мягкий, сравнительно слабый слой, известный как астеносфера («слабая сфера»). Верхняя часть астеносферы имеет температурно-давленческий режим, который приводит к небольшому плавлению. Внутри этой очень слабой зоны литосфера механически отделена от нижележащего слоя. В результате литосфера способна двигаться независимо от астеносферы, и этот факт мы рассмотрим более подробно далее.

Важно подчеркнуть, что прочность различных материалов Земли зависит как от их состава, так и от температуры и давления окружающей среды. Не следует думать, что литосфера ведет себя как хрупкое твердое тело по отношению к горным породам, находящимся на поверхности. Скорее, горные породы литосферы постепенно становятся горячее и слабее (легче деформируются) с увеличением глубины. На глубине самой верхней астеносферы горные породы достаточно близки к своей температуре плавления (некоторое плавление может действительно происходить), поэтому они очень легко деформируются. Таким образом, самая верхняя астеносфера слаба, потому что она близка к своей точке плавления, так же как горячий воск слабее холодного воска.

От глубины 660 километров (410 миль) до вершины ядра, на глубине 2900 километров (1800 миль), находится нижняя мантия. Из-за увеличения давления (вызванного весом горной породы выше) мантия постепенно укрепляется с глубиной. Однако, несмотря на свою прочность, породы в нижней мантии очень горячие и способны к очень медленному течению.

Ядро Земли. Предполагается, что ядро ​​состоит из железоникелевого сплава с небольшим количеством кислорода, кремния и серы — элементов, которые легко образуют соединения с железом. При экстремальном давлении, обнаруженном в ядре, этот богатый железом материал имеет среднюю плотность около 11 г/см³ и приближается к 14-кратной плотности воды в центре Земли.

Ядро разделено на две области, которые демонстрируют очень разную механическую прочность. Внешнее ядро ​​представляет собой жидкий слой толщиной 2260 километров (около 1400 миль). Именно движение металлического железа в этой зоне создает магнитное поле Земли. Внутреннее ядро ​​представляет собой сферу радиусом 1216 километров (754 мили). Несмотря на более высокую температуру, железо во внутреннем ядре является твердым из-за огромного давления, существующего в центре планеты.

Мобильная геосфера. Земля — динамичная планета! Если бы мы могли вернуться во времени на несколько сотен миллионов лет назад, мы бы обнаружили, что облик нашей планеты кардинально отличается от того, что мы видим сегодня. Не было бы горы Сент-Хеленс, Скалистых гор или Мексиканского залива. Более того, мы бы обнаружили континенты, имеющие другие размеры и формы и расположенные в других положениях, чем сегодняшние массивы суши (рис. 1.16).

Континентальный дрейф и тектоника плит. За последние несколько десятилетий было многое изучено о работе нашей динамичной планеты. Этот период стал свидетелем непревзойденной революции в нашем понимании Земли.

Рис. 1.16. Суперконтинент Пангея

Революция началась в начале двадцатого века с радикального предложения о континентальном дрейфе — идеи о том, что континенты движутся по поверхности планеты. Это предложение противоречило устоявшемуся мнению о том, что континенты и океанические бассейны являются постоянными и неподвижными образованиями на поверхности Земли. По этой причине представление о дрейфующих континентах было воспринято с большим скептицизмом и даже насмешками. Прошло более 50 лет, прежде чем было собрано достаточно данных, чтобы превратить эту спорную гипотезу в надежную теорию, которая сплела воедино основные процессы, известные как действующие на Земле. Теория, которая в конечном итоге возникла, названная тектоникой плит, предоставила геологам первую всеобъемлющую модель внутренних процессов Земли.

Согласно теории тектоники плит, жесткая внешняя оболочка Земли (литосфера) разбита на многочисленные плиты, называемые литосферными плитами, которые находятся в постоянном движении. Существует более дюжины плит (рис. 1.17). Самая большая — Тихоокеанская плита, покрывающая большую часть бассейна Тихого океана. Обратите внимание, что несколько крупных литосферных плит включают целый континент плюс большую площадь морского дна. Обратите внимание также, что ни одна из плит не определяется полностью границами континента.

Рис. 1.17. Некоторые из основных литосферных плит Земли

Движение плит. Литосферные плиты, вызванные неравномерным распределением тепла в пределах нашей планеты, движутся относительно друг друга с очень медленной, но постоянной скоростью, которая в среднем составляет около 5 сантиметров (2 дюйма) в год — примерно так же быстро, как растут ваши ногти. Поскольку плиты движутся как единые единицы относительно всех других плит, они взаимодействуют вдоль своих границ. Там, где две плиты движутся вместе, что называется конвергентной границей, одна из плит погружается под другую и опускается в мантию (рис. 1.18). Литосферные плиты, которые погружаются в мантию, — это те, которые покрыты относительно плотной океанической корой.

Рис. 1.18. Конвергентные и дивергентные границы. Конвергентные границы возникают там, где две литосферные плиты движутся вместе, как вдоль западной окраины Южной Америки на этой диаграмме. Дивергентные границы возникают там, где соседние плиты движутся друг от друга. Срединно-Атлантический хребет является такой границей

Любая часть плиты, которая покрыта континентальной корой, слишком плавучая, чтобы быть перенесенной в мантию. В результате, когда две плиты, несущие континентальную кору, сходятся, происходит столкновение двух континентальных окраин. Результатом является образование крупного горного пояса, примером которого являются Гималаи.

Расходящиеся границы расположены там, где плиты расходятся (см. рис. 1.18). Здесь трещины, созданные при разделении плит, заполняются расплавленной породой, которая поднимается из мантии. Этот горячий материал медленно остывает, образуя твердую породу, создавая новые осколки морского дна. Этот процесс происходит вдоль океанических хребтов, где за миллионы лет образовались сотни тысяч квадратных километров нового морского дна (см. рис. 1.18). Таким образом, в то время как новое морское дно постоянно добавляется на океанических хребтах, равные количества возвращаются в мантию вдоль границ, где сходятся две плиты.

Рис. 1.19. Граница трансформного разлома. Разлом Сан-Андреас в Калифорнии является примером границы трансформного разлома, где литосферные плиты скользят мимо друг друга

В других местах плиты не сталкиваются и не раздвигаются. Вместо этого они скользят друг мимо друга, так что морское дно не создается и не разрушается. Эти зоны называются границами трансформных разломов. Известным примером является разлом Сан-Андреас в Калифорнии (рис. 1.19).

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам геологических специальностей, профессиональным геологам-тектонистам, специалистам в области геодинамики и региональной геологии, а также всем, кто интересуется фундаментальными процессами формирования и эволюции земной коры.