Cтарый 4емоданЗЕМЛЯ ГЕОЛОГА
Тайны геосфер
Круг вопросов, занимающих нас, постепенно суживается: мы начали с рассмотрения всех видимых мировых тел, с далеких от нас туманностей и солнц, затем ограничились пределами нашей планетной системы и, переходя постепенно к более близким направлениям ее, достигли, наконец. Земли.
М. Н е й м а й р
Приведенные ранее анкетные данные Земли касались планеты в целом, но по своему строению она неоднородна. Если средняя плотность Земли 5,52 г/см3, то плотность внешней твердой оболочки, называемой земной корой, не превышает 2,65—3,30 г/см3. Плотность поверхностных пород можно измерить, сравнив с плотностью воды (1 г/см3). А как узнать плотность планеты на глубине?
В принципе Землю можно изучить, так сказать, на ощупь, обследовав горы (до 8848 метров над уровнем моря) и морские глубины (до 11 022 метров под уровнем моря), но эта относительно доступная часть планеты по толщине будет не более 20 километров, а радиус Земли, как мы помним, около 6 371 километра.
XX век явился веком познания глубин Земли. И в основе надежного метода «просвечивания» планеты лежит свойство твердых тел отзываться на механическое воздействие. Твердые тела построены из атомов, закрепленных единой системой связей, наподобие шаров, соединенных упругими пружинами в трех измерениях. Если изменить положение одного шара в пространстве, вся система начнет колебаться и передавать волнообразные колебания соседней системе. Волны упругих колебаний с разной скоростью пронизывают различные вещества.
В веществе, близком по строению к идеальному кристаллу (упорядоченное состояние), волны упругих колебаний наиболее быстры, в веществе хаотического строения (неупорядоченное состояние) — замедлены. Примерно так же отличается скорость спринтера в гладком беге от скорости его в беге с препятствиями. Столь обычные на планете землетрясения вызывают упругие колебания всего земного шара. Колебания возникают в месте взрыва или в очаге землетрясения и распространяются с различной скоростью во все стороны. Среди упругих колебаний, называемых сейсмическими волнами, различают продольные, поперечные и поверхностные сейсмические волны.
Продольные волны образуются в твердой, жидкой и газообразной среде вследствие сжатия и расширения элементарного объема среды. Частицы вещества в данном случае колеблются в плоскости, совпадающей с направлением движения волны. Скорость продольных сейсмических волн — до 5—8 км/с.
Поперечные волны возникают при изменении формы среды, что типично лишь для твердых тел, и колебания частиц происходят в плоскости, перпендикулярной направлению движения упругой волны. Поперечные волны распространяются только в твердых телах со скоростью 3—5 км/с. Поверхностные волны зарождаются на границе различных по упругости сред (твердое — газ, жидкое — вода). На глубине такие волны быстро затухают. Скорость их распространения — 3—4 км/с.
Если бы вся планета была однородна, упругие колебания пронизывали бы ее с равной скоростью. Но Земля неоднородна, и сейсмические волны, рожденные на поверхности, на границе неоднородных сред на глубине могут отразиться как от непреодолимого экрана и возвратиться на поверхность (отраженные волны), а могут, преломившись, уйти вглубь (преломленные волны), испытав затем отражение от более глубинной границы. Вернувшиеся на поверхность волны (отраженные и преломленные) могут быть записаны в виде графиков-сейсмограмм и расскажут специалистам о тех земных слоях, которые никогда, может быть, не удастся увидеть.
Уже из сопоставления средней плотности планеты и плотности вещества на ее поверхности напрашивался вывод о высокой плотности глубин Земли. А когда сейсмологи установили, что Земля неоднородна, оказалось возможным выделить земную кору (до 33 километров от поверхности Земли), мантию (от 33 до 2900 километров) и ядро (глубже 2900 километров).
Академик В. И. Вернадский предложил модель оболочеч-ного, или геосферного строения Земли, выделив до 11 таких оболочек-геосфер (таблица 1).
Таблица 1
Внешняя из геосфер твердой планеты названа земной корой французским ученым Р. Декартом в книге «Начала философии», вышедшей в 1644 году. В дальнейшем ученые высказывали предположения о слоистом строении земной коры. Удивительно, что геологи XIX века, еще не вооруженные методами сейсмологии, очень точно определили общую толщину земной коры, в 25—50 километров. В XX веке удалось уточнить границы: в 1909 году югославский геофизик А. Мохоровичич наметил нижнюю границу земной коры, в 1925 году В. Конрад открыл сейсмический раздел внутри земной коры, а в 1926 году Г. Джеффрис выделил в модели земной коры гранитный и базальтовый слои.
Итак, земная кора — внешняя твердая оболочка планеты, составляющая примерно 0,5% массы Земли и около 1 % объема планеты, толщиной менее 1 % земного радиуса. Средняя мощность земной коры 33 километра, причем на материках кора толще, до 70—80 километров, а под океанами тоньше, от 5 до 10 километров.
Современные исследователи подразделяют земную кору на три слоя: осадочный, гранитный и базальтовый.
Самый верхний, осадочный, слой слагают чаще всего продукты разрушения пород более глубинного залегания, так сказать, опилки, покрывающие поверхность Земли. Иногда это — соли, выпадающие из растворов, скелеты организмов или продукты их жизнедеятельности. Во впадинах толщина слоя может составлять и 20, и 30 километров, а там, где на поверхность выходят глубинные (гранитные) породы, осадков может не быть вовсе. Осадочные породы бывают рыхлыми (пески); плотными, но мягкими (мел); хрупкими (известняки); очень плотными, вязкими (глины) и твердыми (песчаники, кварциты).
Второй слой назван гранитным условно, кроме гранитов его слагают и гнейсы, и сланцы, но в лабораторных условиях скорости прохождения сейсмических волн через природные граниты оказываются такими же, как и скорости у волн, преодолевших толщи второго слоя. Его нижняя граница на континентах устанавливается на глубине 15—30 километров. На дне Тихого океана и в глубоких впадинах Атлантического и Индийского океанов гранитный слой не установлен.
Третий, самый глубинный слой земной коры — базальтовый — покрывает весь земной шар. Скорости прохождения сейсмических волн в этом слое близки к полученным экспериментально для образцов базальтов. Поэтому название не следует понимать буквально; кроме базальтов в нижнем слое земной коры, при сверхглубинном бурении будут встречены и другие плотные горные породы. Толщина базальтового слоя на континентах 10—20, а под океанами до 3—7 километров.
Под океанами устанавливается промежуточный слой, состав которого неизвестен; его можно назвать надбазальтовым, но принято именовать просто второй слой. Ниже залегает третий слой — базальтовый.
По типу строения различают материковую земную кору, кору океанического типа и кору промежуточного типа.
При взгляде на земной глобус нельзя не отметить противостояние (антиподальность) материков и океанов: Северному Ледовитому океану противостоит Антарктида, Тихому океану — Африка и т. д. Но если географический материк — суша, то материки геологические включают в себя и шельфы океанов (глубиной до 200 метров), и мелкие моря. Океаническая кора развита лишь там, где глубина океанов превышает 4 километра. В океанах, на глубинах 200—4000 метров, принято выделять кору промежуточного типа, в которой может не быть гранитного слоя, а осадочный слой достигать 20 километров.
Части земной коры различаются и по степени подвижности. Наиболее подвижные ее области названы геосинклиналями. Это громадные (длиной в тысячи и шириной в сотни километров) прогибы, в которых вначале накапливаются огромные толщи осадков (до 10—20 километров). Затем наступает период сжатия геосинклинали, слои осадочных отложений сминаются в сложные складки и, поднимаясь, формируют горные хребты. Подвижность земной коры таких областей резко падает, горы разрушаются, и образуется сглаженная платформа — жесткий участок земной коры с очень медленными и незначительными вертикальными поднятиями и опусканиями. Считается, что все платформы в прошлом пережили геосинклинальный этап развития. Платформы (Русская, Сибирская, Африканская) включают в себя плиты и щиты. Щит — кристаллическое ядро платформы, область наиболее древних горных пород (Балтийский щит и т. д.). Плита — совокупность щита и покрывающего чехла поздних осадочных пород.
У нижней границы земной коры скорости продольных сейсмических волн возрастают скачком от 6,5—7,0 км/с до 7,7—8,2 км/с, отмечая тем самым границу, названную поверхностью или разделом Мохоровичича (по имени югославского геофизика, который, изучая землетрясение 8 октября 1909 года, предположил, что вычисленное по сейсмограмме время пробега сейсмических волн объясняется скачком скорости продольных волн на глубине около 50 километров). С той поры границу Мохо стали выделять по всему земному шару, на разных глубинах от 5 до 80 километров, чаще 33 километров. Ниже этой поверхности, которая может оказаться и прерывистой, то есть не сплошной оболочкой, находится мантия, мощная внутренняя оболочка, сложенная очень плотными, главным образом твердыми, породами. Мантия составляет 83% объема планеты, или 67% ее массы, толщина — около 2870 километров. Внешняя часть мантии — субстрат, сверху ограничена разделом Мохо, а снизу слоем Гутенберга или астеносферой — толщей вещества пониженной вязкости, не жидкого, но пластичного, способного течь, как ледник с горы. Ниже астеносферы — слой Голицына — толща чрезвычайно плотных пород; еще глубже нижняя мантия, возможно, состоящая из окислов магния, железа, кремния и других элементов (на долю нижней мантии приходится 47% объема планеты и 41% ее массы).
Ниже 2900 километров выделяется ядро земного шара (16% по объему и 31,5% по массе). Ядро также неоднородно; различаются внешнее ядро, промежуточная зона и внутреннее ядро (субъядро).
Вещество внешнего ядра ведет себя как жидкость, не пропуская поперечные сейсмические волны. Субъядро сложено, вероятно, твердым веществом, объем субъядра 0,8% земного, масса — менее 2% массы Земли. Предполагается, что давление у границы ядра 1,4 миллиона атм, а в центре его — 3,7 миллиона атм, средняя плотность вещества ядра — 11 г/см3. Из этого можно сделать вывод, что ядро Земли металлическое, но некоторые считают внешнее ядро не металлическим, а силикатным.
Когда американские геологи открыли новый минерал дЖозе-финит, представляющий собой плотнейший железо-никелевый сплав, они объявили об этом как о первой находке вещества земного ядра, поднявшегося к земной поверхности. Пока это гипотеза, подобного вещества в земной коре не встречалось.
Итак, в строении твердой Земли различаются: А — земная кора (стремя типами ее строения); В — субстрат и астеносфера (верхняя мантия); С — слой Голицына (средняя мантия); Д — нижняя мантия; Е— внешнее ядро; F — промежуточная зона ядра и G — субъядро (внутреннее ядро).
Кто из геологов не мечтал заглянуть поглубже в земные недра, познакомиться с глубинами щитов, сложенных крепчайшими кристаллическими, изверженными и метаморфическими породами? 25 мая 1970 года на Кольском полуострове, в районе медно-никелевых месторождений Печенги, начато бурение сверхглубокой буровой скважины «СГ-3». К апрелю 1975 года буровой снаряд достиг глубины 7263 метров. Это самая глубокая на планете скважина, пройденная в древнейших горных породах. Она принесла геологам очень ценную информацию. На забое «СГ-3» температура недр превышает 120°, а это выше расчетных данных. Образцы пород, поднятые с небывалых глубин, указали на наличие полезной минерализации гораздо глубже, чем было известно. Значит, перспективы Печенгских месторождений с глубиной не уменьшаются и есть надежды на встречу с богатыми рудами ниже горизонтов разведанных месторождений и рудопроявлений.
Геофизики провели целый ряд ранее невозможных исследований. Петрографы, минералоги и геохимики изучили строение и состав горных пород и минералов, состав подземных хлорных вод и газовых струй глубинного происхождения.
Многое дала «СГ-3» и для техники бурового дела. Оказалось, что бурение на больших глубинах можно успешно вести без закрепления стенок скважины специальными обсадными трубами, что значительно упрощает проходку.
Опыт «СГ-3» будет использован на втором этапе сверхглубокого бурения в 1976—1980 годах. Задумано углубиться дальше и пересечь границу гранитного и базальтового слоев, проверить справедливость ряда геофизических построений по наблюдениям с поверхности. Сделан первый шаг к исследованию глубинных зон земной коры.
Подошел к концу рассказ о самых общих особенностях планеты Земля. Слепленная из холодной космической пыли, из крупных и мелких астероидов, наша планета расслоилась на оболочки — геосферы — в результате трудно вообразимых гигантских процессов. Миллиарды лет преобразуются массы вещества внутри Земли. И сейчас созидаются и разрушаются горы, изливаются расплавленные лавы вулканов, происходят землетрясения. В этих процессах важнейшая роль принадлежит поступлению энергии и вещества из глубин планеты.
Но не менее важны и другие процессы — процессы «биосферы», как назвал оболочку жизни академик В. И. Вернадский. Биосфера охватывает часть твердой земной коры, гидросферу и даже часть тропосферы. Трудно сопоставить объемы живого и неживого на планете, но попробуем: пусть вся земная кора будет представлена гирей весом в 5 килограммов; тогда гидросфера окажется не тяжелее пакета с молоком (0,5 килограмма), атмосфера не превысит веса медной монеты (несколько граммов), а вес живого вещества не достигнет и 0,5 грамма (вес почтовой марки). Тем не менее роль живого вещества велика даже в геологических процессах. Это мы постараемся показать в других разделах книги, которые будут посвящены процессам, происходящим главным образом в земной коре.
<<<---
