Строение земного шара

В области обширных и плоских равнин материков слой базальта достигает значительной мощности — до 30 километров. Под современными горными хребтами его толщина, по-видимому, несколько сокращается. Под дном океанов в некоторых случаях слой базальта не обнаруживается совсем.

Гранитный и базальтовый слои вместе образуют оболочку, которая получила наименование «сиаль» — от слов silicium (кремний) и aluminium (алюминий). Некоторые геофизики полагают, что с сиалической оболочкой целесообразно отождествлять понятие о земной коре. Таким образом, в представлении этих геофизиков земная кора обладает наибольшей мощностью (50–60 км) в пределах горных хребтов; в области материков она всюду сохраняет примерно одинаковую толщину, порядка 35 км, и в области океанов (по крайней мере, Тихого) ее нет.

Еще глубже, т. е. ниже слоя «сиаль», залегают «ультраосновные» породы, которые более богаты железом и магнием, чем «основные»; здесь получают преобладание такие минералы, как фаялит, форстерит, оливин и др. Такому составу соответствуют горные породы перидотит, эклогит, пироксенит, дунит. Это первая оболочка, охватывающая весь земной шар сплошь, без перерывов. Под материками и горными системами рассматриваемая оболочка залегает, следовательно, под сиалической, а в области океанов она непосредственно подходит ко дну. Толщина ее определяется с большой точностью, ибо по различным источникам получается одна и та же цифра — до 1200 км ниже поверхности Земли. Часто ее называют перидотитовой или же симатической, по слову «сима», т. е. silicium (кремний) и magnesium (магний).

Важно отметить, что граница между наружной сиалической оболочкой и данной, симатической или перидотитовой, проявляется с большой резкостью. Это так называемая «поверхность раздела первого рода», на которой упругие свойства вещества резко меняются. Так, по данным Е. А. Розовой, скорость продольных сейсмических волн для верхнего горизонта («сиаль»), по наблюдениям в Средней Азии, определяется в 5,5–6,3 км/сек, а нижнего т. е. ниже поверхности раздела — 7,9 км/сек. Для атлантического побережья Северной Америки получены цифры соответственно 5,8 и 7,5 км/сек. Подобных примеров можно привести множество. В целом оказывается, что скорость продольных волн в слое «сиаль», в его нижних горизонтах, достигает приблизительно 6 км/сек, а ниже поверхности раздела, в слое «сима» сразу повышается до 8 км/сек. Эта поверхность часто именуется поверхностью Мохоровичича, по имени югославского ученого, открывшего ее впервые.

Зная состав оболочек «сиаль» и «сима», можно рассчитать, какова будет плотность вещества на различных уровнях. Удельный вес осадочных пород, как правило, меньше 2,5, гранита — около 2,6, базальта — 2,7, перидотита — 3,2. Такими цифрами и нужно определять плотность соответствующих слоев. В нижней части перидотитовой оболочки плотность возрастает до 4,0–4,5.

Заметим одно обстоятельство: формулы, по которым определяется скорость упругих колебаний, показывают, что при возрастании плотности пород скорость должна уменьшаться. Следовательно, нельзя, как часто думают, объяснять увеличение скорости упругих волн на глубине бóльшей плотностью расположенных там пород. Скорость растет потому, что растет давление, оказываемое вышележащими породами на нижележащие; вследствие роста давления изменяются упругие свойства вещества (возрастают модуль всестороннего сжатия и модуль сдвига), что и ведет к увеличению скорости.

В направлении от верхней границы перидотитовой оболочки к нижней скорость упругих колебаний снова растет, причем постепенно: от 7,9 до 11,7 км/сек для продольных волн и от 4,4 до 6,5 км/сек для поперечных. Плотность вещества также изменяется — от 3,3 до 4,5.

На глубине 1200 км, а также на глубинах 1700 и 2400 км, снова имеются поверхности раздела, но они отличаются от поверхности Мохоровичича тем, что изменение упругих свойств вещества здесь происходит нерезко — изменяется лишь темп роста скорости. Такие поверхности носят наименование «поверхностей раздела второго рода». Скорость продольных волн, пересекающих слой от 1200 до 2900 километров глубины, изменяется от 11,7 км/сек до 13,6 км/сек. Плотность вещества у нижней границы данного слоя достигает приблизительно 6,0. Этот слой, заключенный между глубинами 1200–2900 км, чаще всего именуется «промежуточным слоем» или «промежуточной оболочкой».

Новая резкая поверхность раздела обнаруживается на глубине 2900 км; это снова «поверхность раздела первого рода». Здесь совершенно неожиданно скорость упругих колебаний (продольных), достигающих этих глубин при сильных землетрясениях и проходящих еще далее вглубь, внезапно падает с 13,6 до 8,1 км/сек. После того как волны прошли эту границу, скорость их снова начинает расти, медленно и постепенно увеличиваясь от 8,1 км/сек на уровне 2900 км до 11,3 в центре Земли. Поперечные же волны, судя по всем данным, вообще не проходят глубже 2900 км (рис. 6).

Рис. 6. Изменение скоростей продольных (Р) и поперечных (S) волн внутри Земли.

Что же происходит на границе, залегающей на глубине 2900 км, границе, которая, как считают, отделяет «промежуточную оболочку» от «ядра» Земли? Почему так меняются упругие свойства вещества? Трудно дать окончательный ответ, но скорее всего дело заключается в резком изменении плотности пород (при переходе через эту границу), скажем, с 6 до 10. Такое резкое изменение может быть вызвано либо изменением состава «ядра» по сравнению с составом «оболочки», либо изменением свойств вещества «ядра», испытывающего огромное давление всей толщи пород, лежащих выше (рис. 7).

Рис. 7. Строение земного шара.

В последнее время появляются основания говорить о наличии еще нескольких поверхностей раздела (кроме уже упомянутых) на глубинах 900, 1800, 5800 км и др. Наличие подобных границ, или, по крайней мере, основных из них, таких, как подошва сиалической оболочки или граница ядра, сомнений не вызывает. Что же касается соображений о минералогическом составе оболочек и их агрегатном состоянии, то здесь, к сожалению, еще слишком много неясного. Прежде всего, нам мало известно, как изменяется внутри Земли температура и как влияет на свойства вещества одновременное воздействие высокой температуры и высокого давления.

Перейдем к рассмотрению этих вопросов.

5. Температура и давление внутри Земли

Чтобы рассчитать, каких значений достигает давление внутри Земли, вызванное весом горных пород, слагающих различные оболочки, нужно знать плотность пород на всех глубинах и величину силы тяжести также на всех глубинах вплоть до центра.

Как мы видели, плотность пород с глубиною растет, хотя и неравномерно. От 2,5 на поверхности она доходит до 3,4 на глубине около 100 км и до 6,0 на уровне 2900 км ниже поверхности. Здесь, на границе ядра, в величине плотности наблюдается скачок: она сразу достигает значения 9,5 (приблизительно), а далее снова растет равномерно, доходя в центре ядра до 12,5 (по М. С. Молоденскому, 1955) (см. рис. 8).

Рис. 8. Изменение плотности внутри Земли.

Что касается силы тяжести, то о ней можно сказать следующее. Сила тяжести — сила, с которой Земля притягивает к себе все тела. Под влиянием этой силы тела, находящиеся в свободном состоянии (например, в воздухе), падают на Землю, т. е. движутся по направлению к центру Земли, постепенно убыстряясь, т. е. получая «ускорение». Величину «ускорения силы тяжести» можно вычислить. На поверхности Земли ускорение силы тяжести равно приблизительно 9,8 м/сек2; в глубине Земли оно сначала немного возрастает, достигая максимума близ поверхности ядра, а затем быстро падает, доходя в центре Земли до нуля (рис. 9). Это понятно: точка, находящаяся в центре земного шара, притягивается всеми окружающими ее частями, с одинаковой силой по всем радиусам, а в итоге равнодействующая будет равна нулю.