Внутреннее строение Земли

 

Внутреннее строение Земли

Современные представления о внутреннем строении и составе вещества Земли получают на основании изучения  и интерпретации главным образом таких геофизических полей, как поле силы тяжести, геомагнитное, электромагнитное и сейсмическое поля. Эти поля создаются либо непосредственно физическими неоднородностями и динамикой глубинного вещества, либо являются откликом (реакцией) последних на внешние или внутренние естественные или искусственные воздействия. Каждое поле обусловливается только ему присущими физическими  характеристиками вещества: поле силы тяжести связано с плотностью, геомагнитное поле – с намагниченностью, электромагнитное поле – с электропроводностью и сейсмическое поле – с упругими свойствами вещества. Геофизики располагают теорией поля, аналитически описывающей связь полей с физическими характеристиками  и формой возмущающих объектов (тел). Это инструмент геофизика, с помощью которого по наблюденным геофизическим  полям дается оценка особенностей  внутреннего строения Земли с различной степенью детальности – от характеристики структуры крупных оболочек Земли до определения параметров тех или иных месторождений  полезных ископаемых.

В данном разделе рассмотрим общую картину внутреннего строения Земли и дадим краткую характеристику глубинного строения территории Беларуси и сопредельных областей.

На рис.4 представлена общая картина слоисто-однородной Земли, а на рис. 5 – скоростная характеристика внутри твердой Земли.

В целом Земля как физический объект обладает массой 5,98×10²⁷ г, ее средний радиус равен 6371 км, средняя плотность вещества 5,52 г/см³, среднее ускорения силы тяжести на земной поверхности равно 981 Гал (см/с²), центробежное ускорение на экваторе составляет –3,4 Гал, а сжатие 1:298,3. Земля как магнитный диполь создает геомагнитное поле интенсивностью от 33 000 нТл на экваторе до 66 000 нТл на полюсах. На территории Беларуси модуль полного вектора геомагнитного поля в среднем равен 50 000 нТл.

Твердая Земля включает: земное ядро радиусом 3400—3500 км, его мантию толщиной около 2850 км и тонкую земную кору, покрывающую мантию (см. рис. 4, 5).

↑ Земное ядро.

Верхняя граница ядра зафиксирована на глубине 2870—2920 км по записям упругих колебаний, вызванных глубокими землетрясениями: поперечные сейсмические волны затухают в земном ядре, а продольные волны резко уменьшаются в 1,7 раза. Ядро подразделяется на внутреннее эффективно жесткое ядро радиусом 1200-1250 км, промежуточное и внешнее эффективно жидкое ядро толщиной около 1900 км, разделенные переходной зоной толщиной 300-400 км. Плотность вещества в центре Земли около 13-14 г/см³, на нижней границе внешнего ядра 11,4-12,3 г/см³, а на границе «ядро-мантия» – 9,5-10,1 г/см³. Масса земного ядра составляет 31-32% от общей массы Земли. Фигура поверхности ядра неравномерно отклоняется от фигуры эллипсоида вращения: от –4 до +6 км, при этом для территории Беларуси это отклонение примерно +2 км.

Теоретическая геофизика полагает, что конвекция вещества во внешнем ядре возбуждает основное магнитное поле Земли, а перемещения внутреннего ядра относительно внешнего создают вековые вариации геомагнитного поля.

Что касается состава вещества земного ядра, то теоретические и экспериментальные исследования свойств химических связей железа при высоких давлениях, а также данные о плотностях вещества и скоростях прохождения сейсмических волн через ядро позволяют утверждать, что внешнее ядро состоит из окиси одновалентного железа Fe₂O, а внутреннее – из железо-никелевого сплава Fe_0,9×Ni_0,1. Промежуточный между ними слой – сульфидный FeS.

Мантия Земли – это оболочка, накрывающая земное ядро. Ее нижняя граница находится на глубине 2870–2920 км, а верхней границей является поверхность Мохоровичича (Мохо), она же – подошва выше расположенной земной коры. Граница Мохо фиксируется скачком скоростей сейсмических волн от 7,8–7,9 км/с  в земной коре до 8,0–8,2 км/с  на глубинах 35-60 км в платформенных областях и 10–20 км – под океанами.

Мантия состоит из следующих оболочек (сверху-вниз): верхняя мантия до глубин 400 км, слой Голицина от 400 до 1000 км, нижняя мантия до кровли земного ядра (т.е. до глубин примерно 2900 км). В верхней мантии под океанами и в ряде регионов под континентами выделяется астеносферный  слой или слой Гутенберга, характеризующийся резким понижением скоростей распространения сейсмических волн на общем фоне монотонного увеличения их с глубиной. На территории Беларуси и в смежных регионах этот слой зафиксирован на глубинах 100–200 км и имеет мощность примерно 30–100 км.

По оценкам геофизиков плотность вещества мантии, в целом увеличиваясь с глубиной, тем не менее, имеет сложную картину возрастания: в верхней мантии, исключая астеносферу, где плотность скачком изменяется от 3,4 до 3,1 г/см³, плотность увеличивается от 3,2–3,4 г/см³ до 3,63–3,70 г/см³; затем в слое Голицина она резко возрастает до 4,55-4,65 г/см³, и далее в нижней мантии ее значения повышаются до 5,53-5,66 г/см³ практически с тем же градиентом, что и в верхней мантии.

Состав современной мантии, масса которой составляет 67,8% от общей массы Земли, оценивается как силикатный, причем в среднем одинаковый и для верхней и для нижней мантии – 45,7% SiO₂ и 38,4%  MgO, и близок к океаническим лерцолитам. Средняя вязкость вещества мантии  10²²–10²⁴ Па×с, в астеносфере она уменьшается до 10¹⁹–10²⁰ Па×с. Теоретические оценки показывают, что на границе «мантия-ядро» вязкость вещества резко падает почти до единиц.

↑ Земная кора.

Это самый верхний слой твердой Земли. Он включает (сверху-вниз) осадочный (платформенный) чехол, кристаллический фундамент («гранитно-метаморфический» слой), средний – «диоритовый» слой и нижний – «базальтовый» слои. Как ранее отмечалось, подошвой земной коры является сейсмическая граница Мохо. На материках эта граница залегает на глубинах в среднем 40±10 км, а под океанами - 15±5 км.

Земная кора Беларуси и смежных регионов имеет сложное слоисто-блоковое строение. Четыре ее основных слоя существенно различаются по составу, мощности и физическим свойствам. Границы между слоями установлены по значениям скоростей распространения сейсмических волн: кровля «гранитно-метаморфического» слоя (кристаллического фундамента) характеризуется значениями 5,0–5,5 км/с, кровля «диоритового» слоя примерно 6,4 км/с, кровля  «базальтового» слоя  6,8 км/с, его подошва -  7,8–7,9 км/с, поверхность Мохо – около 8,0–8,2 км/с. В основном скорости сейсмических волн с глубиной увеличиваются.

Блоки земной коры разделяются глубинными разломами мантийного заложения и характеризуются различными соотношениями мощностей основных слоев (исключая платформенный), мощностью земной коры в целом и распределением физических характеристик. Выделяют семь основных и несколько промежуточных типов строения земной коры.

Тип А характеризуется следующими параметрами: мощность нижнего слоя (b) существенно больше мощности среднего (d) и верхнего (g) слоев,   b>>d, b>>g; значительная мощность земной коры (более  55 км); граница Мохо образует крупную впадину с амплитудой порядка 15 км; высокая намагниченность вещества нижней части земной коры – более 4,5 А/м, плотность 2,95-3,05 г/см³.

Тип В: b>d,  b>g; мощность земной коры около 55 км; граница Мохо – впадина (амплитудой около 10–12 км) с горстообразной локальной структурой в центральной части; существенная намагниченность вещества нижней части коры (около 4,0 А/м), плотность 3,00–3,15 г/см³.

Тип С: b»d;  b»g; мощность земной коры около 50 км; граница Мохо имеет ступенчатый характер с амплитудами до 15 км; намагниченность вещества нижней части коры средняя – около 3,0 А/м, плотность  2,82–2,97 г/см³.

Тип D: b<d,  b<g; мощность земной коры около 45 км; граница Мохо субгоризонтальная, пологая, возможны ступени не более 5 км; намагниченность вещества нижней части коры умеренная – около 2,0 А/м, плотность 3,00–3,10 г/см³.

Тип Е: b<<d,  b<<g; мощность земной коры меньше 40 км; граница Мохо – поднятие с амплитудой 8-10 км; намагниченность вещества нижней части коры слабая – до 0,5 А/м, плотность около 3,00 г/см³.

В ряду ApBpCpDpE  особенно примечательно закономерное уменьшение мощности земной коры от 57±6 км до 38±2 км, а также уменьшение мощности нижнего слоя от 31±4 км до 5–7 км. Форма рельефа Мохо последовательно переходит от крупных впадин с амплитудой 15–20 км через сложные структуры к устойчивым поднятиям с амплитудой 8–10 км. Закономерно изменяется соотношение мощности нижнего и среднего слоев: для типа А мощность нижнего слоя существенно больше мощности среднего слоя, для типа С они выравниваются, а для типа Е мощность среднего слоя превышает мощность нижнего слоя. Намагниченность вещества нижней части коры закономерно уменьшается от 4,5 А/м до 0,5 А/м.

Кроме этого, выделены два внесистемных типа земной коры. Тип аномальной коры F, коры со слоем «коро-мантийной смеси». Он  характеризуется примерно равными мощностями верхнего, среднего и нижнего слоев коры и двумя границами Мохо, залегающими на глубинах 50–53 км (раннего формирования) и 35–40 км (более позднего формирования). Тип G коры шовных зон. Его параметры: мощность коры 40-55 км, мощности нижнего и среднего слоев примерно одинаковы (с некоторым преобладанием мощности среднего слоя), ступени в рельефе Мохо с амплитудой 5-15 км, намагниченность нижних слоев коры до 5 А/м и более, плотность – до 2,95=3,07 г/см³.

Карта районирования земной коры Беларуси и соседних регионов по типам ее глубинного строения представлена на рис.6. На этой же карте приведена карта рельефа поверхности Мохо (мощности земной коры) территории Беларуси и смежных областей, построенная по материалам глубинных сейсмических и магнитотеллурических зондирований, гравитационному и магнитному полям. На карте: 1 – A, B, C, D, E  – основные типы земной коры,   F, G – дополнительные типы коры, AB, BC, CD – промежуточные типы; 2 – глубинные разломы мантийного заложения, разграничивающие блоки земной коры с различным геофизическим типом; 3 – внутриблоковые глубинные разломы  мантийного заложения; 4 – Северо-Припятский и Южно-Припятский краевые разломы; 5 – границы Восточно-Европейской платформы; 6 – наименование блоков земной коры разной типизации: СЛ – Средне-Литовский, Бс – Браславский, Нв – Невельский, Вж – Велижский, ЦЛ – Центрально-Литовский, Кл – Калининградский, Лп – Лепельский, Вт – Витебский, См – Смоленский, Мз – Мазовецкий, Бб – Бобруйский, Бр – Брестский, Ст – Столинский, Мо – Мозырский, Гм – Гомельский, Ко – Ковельский, Рв – Ровенский, Кр – Коростенский, Кв – Киевский, Чр – Черниговский.; 7 – названия главнейших глубинных разломов; 8 – мощность земной коры, в км, сечение – 2 км.

Анализируя эти материалы с планом современных тектонических элементов (рис.7) можно отметить, что Оршанская впадина совпадает с крупной впадиной в рельефе Мохо на глубине около 55 км. Восточная часть Белорусской антеклизы характеризуется относительно приподнятым залеганием границы Мохо на глубинах 45–46 км, а центральная – до 55 км. Полесская седловина по поверхности Мохо в широтном направлении также носит характер седловины. В Припятском прогибе выделяются две поверхности Мохо. Нижняя, более древняя граница характерна для всей Беларуси, а верхняя, более молодая граница фиксируется на глубинах 35–40 км, а в Подлясско-Брестской впадине – на глубинах 46–47 км. В Белорусско-Литовском геоблоке четко вырисовываются западная и центральная системы крупных линейно-вытянутых поднятий поверхности Мохо северо-восточного простирания с глубиной 45–47 км. Они разделены впадиной в рельефе Мохо до 55 км и более. Латвийской седловине отвечает крупное поднятие поверхности Мохо, протягивающееся в северо-западном направлении.

В отличие от верхнего и среднего слоев земной коры, мощность нижнего слоя варьирует довольно в широких пределах – от 5–10 до 30–32 км.

↑ Литосфера и астеносфера.

В геологии и геофизике, помимо рассмотренных выше основных оболочек твердой Земли, рассматривают еще: литосферу,  астеносферу и тектоносферу. Под литосферой понимают земную кору и верхнюю часть верхней мантии до слоя Гутенберга, т.е. до астеносферы. Это связано с представлением о существенном влиянии на формирование земной коры и, прежде всего, на ее верхнюю часть – геологическую среду – тектонофизических процессов, происходящих на подошве литосферы в астеносфере, в слое, где происходит главная трансформация притока глубинного тепла в физико-химические и физико-механические процессы, обусловливающие формирование и развитие земной коры и многих видов месторождений полезных ископаемых.

Развивая эту мысль о влиянии глубинных процессов на формирование земной коры, в последние десятилетия, в связи с фиксированием гипоцентров землетрясений на самых больших глубинах порядка 700-800 км, введено понятие «тектоносфера» как верхней оболочки Земли до глубин 700-800 км, где происходят наиболее важные для земной коры активные тектонофизические процессы.

Астеносферный слой, как слой с относительно малым пределом текучести, контролирующий процесс постепенного (относительно медленного) приближения верхней твердой оболочки (литосферы) к состоянию гидростатического равновесия (изостазии), выделен как канал с пониженной на 0,3-0,4 км/с скоростью распространения сейсмических волн на фоне общего увеличения скоростей с глубиной. Вещество слоя является пластическим, слабо сопротивляющимся сдвиговым напряжениям, обладающим невысоким пределом прочности, могущим деформироваться (течь) под действием малых избыточных давлений и характеризующимся относительно пониженной вязкостью 10¹⁹–10²⁰ Па×с под океанами и 10²⁰–10²¹ Па×с под континентами. С геофизической точки зрения астеносфера есть идеальная вязкая ньютонова жидкость. Литосфера же – упруго-пластичное, упруго-хрупкое тело, обладающее высоким значением предела прочности.

Астеносферный слой установлен в северо-восточной части Украинского щита на глубине 110–140 км, под Тиманским кряжем (60–80 км), в юго-западной части Балтийского щита (60–110км), под каледонидами островов Великобритании и Ирландии (60–180 км), под Северным морем (90–190 км), под каледонидами Норвегии (120–215 км), для таких герцинских и альпийских регионов Европы, как герциниды Испании (80–180 км), зона Вранча (60–190 км), ороген центральной части Испании (100–210 км), Атлас-Бетские горы (110–190 км), Балеарская впадина (60–200 км), Каталония (100–250 км), Западные Альпы (80–210 км), Восточные Карпаты (30–160 км), Рейнский грабен (90–220 км), Паннонский массив (40–180 км) и в других областях. Отмечается высокое гипсометрическое положение кровли астеносферного слоя, его наибольшие мощности в областях большинства зон активизации, характеризующихся интенсивным мантийным тепловым потоком.

Для территории Беларуси и прилегающих регионов наблюдаются следующие закономерности в мощностях литосферы и астеносферы (рис.8а и 8б). Для крупных положительных структур (южная часть Балтийского щита, Белорусская антеклиза, Украинский щит и разделяющие их седловины) характерны мощная литосфера (до 190–220 км) и тонкая астеносфера (до 20–40 км). Наоборот, к основным отрицательным структурам приурочены тонкая литосфера и толстая астеносфера: Припятский прогиб (соответственно до 100 и 130 км). Оршанская впадина (до 140–160 и 50–90 км), Балтийская синеклиза (до 160–180 и 50–70 км). Это свидетельствует о том, что распределение современных мощностей литосферы и астеносферы установилось главным  образом в течение платформенного этапа развития Восточно-Европейского кратона. Особенно существенное воздействие на утоньшение литосферы оказали процессы растяжения и преобразования вещества литосферы и астеносферы в результате рифейско-ранневендского (Оршанская впадина) и палеозойского (Припятский прогиб) рифтогенеза.