С изменением температуры и солёности меняется и плотность воды. Наибольшая плотность характерна для высоких широт, где она достигает у поверхности 1,0275 г/см 3.В приэкваториальной области плотность воды у поверхности - 1,02204 г/см 3.
Табл. 5.-Основные данные о геосферах «твёрдой» Земли
| Геосферы | Подразделения геосфер | Буквен-ное обозна- чение | Глубина нижней границы*, км | Объём, 10 18 м 3 | Масса**, 10 21 кг | |
| Земная кора | осадочный слой | A | до 20 | 1,0 | 2,5 | |
| «гранитный» слой | до 40 | 3,6 | 10 | |||
| «базальтовый» слой | до 70 | 5,6 | 16 | |||
| Мантия | верхняя мантия | субстрат | B | 50-100 | 180,1 | 610 |
| слой Гутенберга (астеносфера) | около 400 | |||||
| слой Голицына | C | около 900 | 205,7 | 856 | ||
| Нижняя мантия | D | 2900 | 510,8 | 2547 | ||
| Ядро | Внешнее ядро | E | около 4800 | 166,6 | 1828 | |
| F | около 5100 | |||||
| субъядро | G | 6371 | 8,6 | 106 |
* Разность между средним радиусом З. и средним радиусом границы (кроме коры). ** Кора по А. Б. Ронову и А. А. Ярошевскому (1969), остальные по Ф. Бёрчу (1964).
Характерной особенностью океана является циркуляция и перемешивание вод. В слое до 150-200 мциркуляция определяется главным образом господствующими ветрами, под влиянием которых образуются мощные океанические течения. В более глубоких слоях циркуляция связана преимущественно с существующей в толще воды разностью плотностей, зависящей от температуры и солёности. Основными элементами циркуляции, определяемой воздействием ветров, являются антициклональные круговороты в субтропических широтах и циклональные - в высоких. Плотностная циркуляция участвует в вертикальном распределении водных масс и охватывает всю толщу вод. Планетарным видом движения вод служит приливо-отливное течение, вызванное влиянием Луны и Солнца.
Океан играет огромную роль в жизни З. Он служит главным водохранилищем планеты и основным приёмником солнечной энергии на поверхности З. Вследствие большой теплоёмкости воды (и малой теплоёмкости воздуха) он оказывает умеряющее воздействие на колебания температуры воздуха окружающего пространства. В умеренных и полярных широтах морские воды летом накапливают тепло, а зимой отдают его атмосфере. В экваториальных и тропических пространствах вода нагревается с поверхности круглый год. Тёплые воды переносятся отсюда течениями в высокие широты, утепляя их, а холодные воды возвращаются к тропикам в противотечениях. Таким образом океан влияет на климат и погоду З. Велика роль океана в круговороте веществ на З. (влагооборот, взаимный обмен с атмосферой кислородом и углекислым газом, вынос на сушу растворённых в океанической воде солей и привнос в океан реками материала с суши, биогеохимические превращения).
Непрерывно движущиеся водные массы океана, взаимодействуя с горными породами дна и берегов, производят огромную разрушительную и созидательную (аккумулятивную) работу. Разнообразный обломочный и растворённый материал, полученный в результате разрушительной работы океанической воды и благодаря речному стоку, осаждается на дне океана, образуя осадки, превращающиеся затем в осадочные горные породы. Отмершие растительные и животные организмы дают начало биогенным осадкам.
Немалую роль играют и воды суши. Пресные воды удовлетворяют потребности человека в воде, обеспечивают промышленность и поливное земледелие. Поверхностные текучие воды совершают большую геологическую работу, осуществляя размыв (эрозию), перенос и отложение продуктов разрушения горных пород. Деятельность текучих вод приводит к расчленению и общему понижению рельефа суши. Суммарное количество выносимого реками в моря и океаны материала оценивается более чем в 17 млрд. тв год.
«Твёрдая» Земля
О строении, составе и свойствах «твёрдой» З. имеются преимущественно предположительные сведения, поскольку непосредственному наблюдению доступна лишь самая верхняя часть земной коры. Все данные о более глубоких недрах планеты получены за счёт разнообразных косвенных (главным образом геофизических) методов исследования. Наиболее достоверны из них - сейсмические методы, основанные на изучении путей и скорости распространения в З. упругих колебаний (сейсмических волн). С их помощью удалось установить разделение «твёрдой» З. на отдельные сферы и составить представление о внутреннем строении З. (см. табл. 5).
Строение «твёрдой» Земли.Верхняя сфера «твёрдой» З. - земная кора (А) - самая неоднородная и сложно построенная. Из нескольких типов земной коры преобладающее распространение имеют материковая и океаническая; в строении первой различают три слоя: верхний - осадочный (от 0 до 20 км), средний, называемый условно «гранитным» (от 10 до 40 км), и нижний, т. н. «базальтовый» (от 10 до 70 км), отделяющийся от «гранитного» поверхностью Конрада (см. Конрада поверхность ).
Под океанами осадочный слой на обширных площадях имеет толщину лишь в несколько сотен метров. «Гранитный» слой, как правило, отсутствует: вместо него наблюдается т. н. «второй» слой неясной природы, толщиной около 1-2,5 км.Мощность «базальтового» слоя под океанами - около 5 км.
Кроме основных типов коры, встречается несколько типов «промежуточного» строения, в том числе кора субконтинентальная (под некоторыми архипелагами) и субокеаническая (в глубоководных впадинах окраинных и внутриконтинентальных морей). Субконтинентальная кора характеризуется нечётким разделением «гранитного» и «базальтового» слоев, которые объединяются под названием гранитно-базальтового. Кора субокеаническая близка к океанической, отличаясь от неё большей мощностью в целом и осадочного слоя в частности. С помощью сейсмических методов четко устанавливается поверхность раздела, отделяющая земную кору от нижележащей мантии (см. Мохоровичича поверхность ).
Мантия состоит из трёх слоев ( В, Си D) и простирается от поверхности Мохоровичича до глубины 2900 км,где она граничит с ядром З. Слои Ви Собразуют верхнюю мантию (толщиной 850-900 км), слой D- нижнюю мантию (около 2000 км). Верхнюю часть слоя В,залегающую непосредственно под корой, называется субстратом; кора вместе с субстратом составляет литосферу.Нижнюю часть верхней мантии называют именем открывшего её свойства сейсмолога Б. Гутенберга.Скорость распространения сейсмических волн в пределах слоя Гутенберга несколько меньше, чем в выше- и нижележащих слоях, что связывают с повышенной текучестью его вещества. Отсюда - второе название слоя Гутенберга - астеносфера (слабая сфера). Этот слой является сейсмическим волноводом,поскольку сейсмический «луч» (путь волны) долгое время идёт вдоль него. Лежащий ниже слой С ( Голицына слой ) выделен как зона быстрого нарастания с глубиной скоростей сейсмических волн (продольных от 8 до 11,3 км/сек,поперечных от 4,9 до 6,3 км/сек).
Земное ядро имеет средний радиус около 3,5 тыс. кми делится на внешнее ядро (слой Е) и субъядро (слой G) с радиусом около 1,3 тыс. км.Их разделяет переходная зона (слой F) толщиной около 300 км,которую относят обычно к внешнему ядру. На границе ядра наблюдается скачкообразное падение скорости продольных волн (от 13,6 до 8,1 км/сек) .Внутри ядра она возрастает, увеличиваясь скачком до 11,2 км/секвблизи границы субъядра. В субъядре сейсмические волны распространяются почти с неизменной скоростью.
Физические характеристики и химический состав «твёрдой» Земли.С глубиной в З. изменяются значения плотности, давления, силы тяжести, упругих свойств вещества, вязкости и температуры (см. графики ). Средняя плотность земной коры в целом - 2,8 т/м 3.Средняя плотность осадочного слоя коры - 2,4-2,5 т/м 3,«гранитного» - 2,7 т/м 3,«базальтового» - 2,9 т/м 3.На границе земной коры и мантии (поверхность Мохоровичича) плотность увеличивается скачком от значений 2,9-3,0 т/м 3до3,1-3,5 т/м 3.Далее она плавно растет, достигая у подошвы слоя Гутенберга 3,6 т/м 3.у подошвы слоя Голицына 4,5 т/м 3и у границы ядра 5,6 т/м 3.В ядре плотность скачком поднимается до 10,0 т/м 3,а далее плавно возрастает до 12,5 т/м 3вцентре З.
Ускорение силы тяжести в З. не изменяется скачком. До глубины 2500 кмоно отклоняется от значения 10 м/секменее чем на 2%, на границе ядра равно 10,7 м/сек 2и далее плавно убывает до нуля в центре З. По данным о плотности и ускорении силы тяжести вычисляется давление, которое непрерывно растёт с глубиной. У подошвы материковой коры оно близко к 1 Гн/м 2( 10 9н/м 2) ,у подошвы слоя В - 14 Гн/м 2,слоя С - 35 Гн/м 2,на границе ядра - 136 Гн/м 2,в центре З. - 361 Гн/м 2.Зная плотность и скорости сейсмических волн, вычисляют величины, характеризующие упругие свойства материала З. Их ход в зависимости от глубины показан на втором графике.
В земной коре и верхней мантии температура повышается с глубиной. Из мантии к поверхности «твёрдой» З. идёт тепловой поток, в несколько тыс. раз меньший поступающего от Солнца (в среднем около 0,06 вт/м 2или около 2,5·10 13 втна всю поверхность З.). В мантии температура везде ниже температуры полного расплавления слагающего её материала. Под материковой корой она предполагается близкой к 600-700 °С. В слое Гутенберга температура, по-видимому, близка к точке плавления (1500-1800 °С). Оценка температур для более глубоких слоев мантии и ядра З. носит весьма предположительный характер. По-видимому, в ядре она не превышает 4000-5000 °С.
Вязкость материала мантии выше и ниже границ астеносферы, видимо, не менее 10 23 nз(1 nз=0,1 н( сек/м 2); вязкость астеносферы сильно понижена (10 19-10 21 nз) .Считается, что благодаря этому в астеносфере происходит медленное перетекание масс в горизонтальном направлении под влиянием неравномерной нагрузки со стороны земной коры (восстановление изостатического равновесия). Вязкость внешнего ядра на много порядков меньше вязкости мантии.
Табл. 6.-Химический состав Земли
| Химический элемент | Содержание в весовых процентах | Химический элемент | Содержание в весовых процентах |
| Железо | 34,63 | Натрий | 0,57 |
| Кислород | 29,53 | Хром | 0,26 |
| Кремний | 15,20 | Марганец | 0,22 |
| Магний | 12,70 | Кобальт | 0,13 |
| Никель | 2,39 | Фосфор | 0,10 |
| Сера | 1,93 | Калий | 0,07 |
| Кальций | 1,13 | Титан | 0,05 |
| Алюминий | 1,09 |
В верхней мантии до глубины 700 кмотмечаются очаги землетрясений, что указывает на значительную прочность слагающего её материала; отсутствие более глубоких сейсмических очагов объясняется либо малой прочностью вещества, либо отсутствием достаточно сильных механических напряжений.
Электропроводность в верхней части слоя Вочень низка (порядка 10 -2 ом -1( м -1); в слое Гутенберга она повышена, что связывают с ростом температуры. В слое Голицына она постепенно увеличивается приблизительно до 10-100 ом -1· м -1, а в нижней мантии, по-видимому, возрастает ещё на порядок. В ядре З. электропроводность очень высока, что указывает на металлические свойства его вещества.
Из современных космогонических гипотез вытекает, что химический состав планет, их спутников и метеоритов должен быть близок к составу Солнца (см. Геохимия ). Сопоставляя известные химические анализы земных и лунных пород, метеоритов, спектральные анализы Солнца и учитывая данные о плотности и др. физических свойствах материала в недрах З., можно в общих чертах охарактеризовать состав З. в целом и состав её различных геосфер. В табл. 6 приводится общий химический состав З., согласно подсчётам американского геохимика Б. Мейсона. При этом предполагается, что ядро состоит из железо-никелевого сплава, подобного металлической фазе хондритов.Относительно состава земного ядра существуют две гипотезы. Согласно первой - ядро состоит из железа с примесью (18-20%) кремния (или иного, сравнительно лёгкого материала); согласно второй - внешнее ядро слагается силикатом, который под влиянием огромного давления и высокой температуры перешёл в металлическое состояние (см. Давление высокое ); субъядро может быть железным или силикатным.
В составе З. преобладают (как по массе, так и по числу атомов) железо, кислород, кремний и магний. В сумме они составляют более 90% массы З. Земная кора почти наполовину состоит из кислорода и более чем на четверть из кремния. Значительная доля принадлежит также алюминию, магнию, кальцию, натрию и калию. Кислород, кремний, алюминий дают наиболее распространённые в коре соединения - кремнезём (SiO 2) и глинозём (A1 2O 3).
Мантия состоит преимущественно из тяжёлых минералов, богатых магнием и железом. Они образуют соединения с SiO 2(силикаты). В субстрате, по-видимому, больше всего форстерита (MgSiO 4), глубже постепенно возрастает доля фаялита (Fe 2SiO 4). Предполагается, что в нижней мантии под влиянием очень высокого давления эти минералы разложились на окислы (SiO 2, MgO, FeO).
Агрегатное состояние вещества земных недр обусловлено наличием высоких температур и давлений. Материал мантии был бы расплавлен, если бы не высокое давление, вследствие которого вся мантия находится в твёрдом кристаллическом состоянии, за исключением, вероятно, астеносферы, где влияние близкой к точке плавления температуры сказывается сильнее, чем действие давления. Полагают, что здесь вещество мантии находится либо в аморфном, либо частично в расплавленном состоянии. В слое Голицына, по мере роста давления с глубиной, по-видимому, происходит перестройка кристаллических решёток минералов в сторону более плотной упаковки атомов, чем объясняется быстрый рост с глубиной плотности и скоростей сейсмических волн.
Внешнее ядро, очевидно, находится в жидком (расплавленном) состоянии, поскольку поперечные сейсмические волны, не способные распространяться в жидкости, через него не проходят. С существованием жидкого внешнего ядра связывают происхождение магнитного поля З. Субъядро, по-видимому, твёрдое (продольные волны, подходя к границе субъядра, возбуждают в нём поперечные волны).
Е. Н. Люстих.
Геодинамические процессы.Вещество геосфер З. находится в непрерывном движении и изменении. Быстрее всего они протекают в жидкой и газообразной оболочках, но основное содержание истории развития земного шара составляют гораздо более медленные изменения, совершающиеся во внутренних геосферах, сложенных преимущественно твёрдым веществом; именно изучение их природы и динамики необходимо прежде всего для верного понимания современного и всех прошлых состояний З.
Среди процессов, совершающихся в недрах и на поверхности З., различают две главные группы. Первую образуют внутренние, или эндогенные, процессы, движущим началом которых является внутренняя энергия З. (главным образом энергия радиоактивного распада). Вторую группу составляют внешние, или экзогенные, процессы, порождаемые поступающей на З. энергией солнечного излучения. Эндогенные процессы свойственны главным образом глубинным геосферам. В нижних зонах земной коры, в верхней мантии, видимо, и много глубже происходят перемещения огромных масс вещества, его расширение, сжатие и фазовые превращения, происходят миграция химических элементов, циркуляция тепловых и электрических токов и т.д. Несомненно, что в своей совокупности они обусловливают непрерывно идущий процесс глубинной дифференциации вещества, приводящий к концентрации более лёгких его компонентов в верхних, а более тяжёлых - в глубоких геосферах. В мантии движущим фактором, по-видимому, является механизм, подобный зонной плавке, в результате которого химические элементы (или соединения) закономерно распределяются между легкоплавкой и тугоплавкой фазами. Глубинные эндогенные процессы воздействуют на земную кору, вызывая вертикальные и горизонтальные перемещения отдельных её участков и блоков (движения земной коры), деформацию и преобразование внутренней структуры земной коры. Все эти процессы называются тектоническими, а область их проявления, охватывающая, кроме земной коры, по меньшей мере и верхнюю мантию, - тектоносферой. В тесной взаимосвязи с тектоническими процессами протекают процессы магматические, заключающиеся во внедрении в земную кору поднимающейся снизу магмы (глубинный магматизм) и в излиянии её по трещинам на поверхность З. в виде лавы (вулканизм). В ходе тектонических деформаций (дислокаций) и внедрений магмы происходят также процессы метаморфизма горных пород, изменяющих свой минералогический состав и структуру под воздействием повышенных давлений и температур.
Земная поверхность и внешние слои земной коры одновременно подвергаются влиянию экзогенных процессов. Они подразделяются на разрушительные (выветривание горных пород, снос ветром и смыв текучими водами продуктов их разрушения, изменение поверхности З. реками и ручьями, подземными водами, движущимися ледниками и др.) и созидательные (накопление осадков в понижениях суши, в морских и озёрных водоёмах с дальнейшим преобразованием в осадочные горные породы).
Действие эндогенных и экзогенных процессов на земную поверхность взаимно противоположно. Эндогенные процессы (в основном тектонического движения) создают прежде всего крупные неровности, от которых зависят распределение суши и моря и возможность перемещения вещества под действием силы тяжести. Экзогенные процессы расчленяют и разрушают поднятые участки, заполняя продуктами разрушения пониженные места, т. е. в целом имеют тенденцию выравнивать поверхность З. При взаимодействии внутренних и внешних процессов на земной поверхности образуются различного рода неровности, совокупность которых называется рельефом. При различном соотношении внутренних и внешних сил формируются либо горные, сильно расчленённые типы рельефа, либо мало расчленённые, равнинные. Под влиянием совокупного действия эндогенных и экзогенных процессов происходит медленный, протекающий миллионы и миллиарды лет кругооборот вещества, сопровождаемый перестройкой и обновлением структуры земной коры.
Эндогенные процессы выводят на земную поверхность глубинное вещество, вовлекаемое здесь в процессы денудации и аккумуляции и являющееся одним из основных источников материала осадочных пород. В ходе опусканий земной коры осадочные породы вовлекаются в её глубокие зоны и, попадая в сферу действия глубинных эндогенных процессов, преобразуются иногда вплоть до переплавления в магму и в этом измененном виде вновь поднимаются тектоническими процессами на поверхность З.
В. В. Белоусов, Е. Н. Люстих, Е. В. Шанцер.
Основные черты структуры земной коры.Земная кора - единственная из внутренних геосфер, доступная непосредственному изучению. Поэтому знание её структуры является важнейшей основой для суждения не только об истории развития земной коры, но и Земли в целом. Из двух основных структурных подразделений - материков и океанов, - принципиально различающихся по типу земной коры, лучше изучены материки.
Древнейшими элементами структуры материковой коры являются древние (докембрийские) платформы (см. тектоническую карту мира ) - обширные, тектонически мало подвижные (стабильные) массивы. Значительная часть их территории в течение геологической истории превратилась в плиты, перекрытые почти горизонтально залегающими осадочными породами (платформенным чехлом), под которым погребён древний складчатый фундамент. Последний выступает на поверхность в пределах щитов, лишённых платформенного чехла, и сложен интенсивно смятыми в складки метаморфическими породами, прорванными глубинными магматическими интрузиями преимущественно гранитного состава. Это указывает на первоначально большую тектоническую подвижность участков коры, вошедших в состав фундамента. Древние платформы разделяются и окаймляются тектонически активными геосинклинальными поясами,которые состоят из ряда геосинклинальных систем,и включают иногда относительно стабильные в и внутренние (срединные) массивы. Некоторые геосинклинальные системы в результате своего развития приобрели черты, свойственные платформам, и называемые молодыми платформами. Их фундамент, в отличие от древних (докембрийских) платформ, имеет более молодой (палеозойский или мезозойский) возраст.
Геосинклинальные пояса характеризуются линейностью простирания (многие тысячи и десятки тысяч км), повышенной мощностью коры, контрастными вертикальными движениями большой амплитуды, интенсивным смятием горных пород в складки, вулканической активностью и высокой сейсмичностью. Платформы отличаются изометричностью очертаний, выдержанностью мощности коры (меньших значений по сравнению с геосинклинальными поясами), медленными вертикальными движениями небольшой амплитуды, слабыми проявлениями складчатости, сейсмичности и вулканизма.
Несравненно хуже известна современная структура океанической коры, по поводу которой во многом приходится ограничиваться догадками. Обширные относительно ровные пространства океанического дна, отличающиеся слабым проявлением вулканизма, слабой сейсмичностью и, по-видимому, малыми скоростями вертикальных движений земной коры, по аналогии со стабильными структурами материков называют океаническими платформами, или талассократонами.Им противостоят как тектонически подвижные зоны океанические рифтовые пояса - совершенно своеобразные глобального значения структуры растяжения, резко отличные от геосинклинальных складчатых систем материков. Они протягиваются через все океаны в виде срединноокеанических хребтов,которым свойственны интенсивный вулканизм, большая сейсмичность и повышенные значения идущего из недр теплового потока. Хребты осложнены продольными разломами, по которым развита система глубоких рифтовых впадин (см. Георифтогеналь, Рифтов мировая система).
Что касается структурных соотношений океанической и материковой коры, то можно выделить два принципиально отличных их типа. Первый, или атлантический, свойствен большей части Атлантического, Индийского и Северному Ледовитому океанам. Здесь граница материка и океана сечёт вкрест структуры материковой коры, а переход от нее к океанической резкий, осуществляющийся путём быстрого выклинивания «гранитного» слоя в зоне материкового склона. Второй, или тихоокеанский, тип свойствен периферии Тихого океана, Карибскому и Южногебридскому районам Атлантического и индонезийскому побережью Индийского океанов. Ему присуще параллельное краю континента простирание мезозойских и кайнозойских складчатых систем и современных геосинклиналей, как бы огибающих океаническую впадину, а также наличие более или менее широкой переходной зоны с промежуточным или мозаичным строением коры. В составе переходной зоны выделяются геоантиклинальные поднятия, выраженные в современном рельефе гористыми архипелагами островных дуг,имеющих в плане характерную форму гирлянд. С ними сопряжены геосинклинальные прогибы в виде глубоководных впадин окраинных морей и узких длинных океанических желобов (см. Желоба глубоководные океанические ).
Очень часто эти особенности строения побережий Тихого океана толкуются как свидетельства его значительной древности. В то же время никто не сомневается в относительной молодости океанов атлантического типа. Данные исторической геологии однозначно указывают, что ещё в конце палеозойской эры материки Южной Америки, Африки, Австралии и Антарктиды, вместе с Мадагаскаром и древней Индостанской платформой, составляли единый континентальный массив Гондваны.Только в течение мезозоя он разделился на части, и возникли современные впадины Индийского и Атлантического океанов.
Единодушное признание этого факта не исключает весьма различного его истолкования. Некоторые учёные рассматривают его как результат «океанизации», т. е. преобразования материковой коры в океаническую. Процесс океанизации связывают с образованием очагов плавления в мантии, ассимилирующих опускающиеся в них крупные блоки литосферы, что приводит в сочетании с излияниями на поверхность базальтов к исчезновению гранитного слоя, общему утяжелению коры и образованию на месте ранее существовавшего материка океанической впадины.