Загальне землезнавство - Олійник Я.Б. - 4.4. Внутрішня будова Землі

Люди здавна цікавилися внутрішньою будовою нашої планети. З цією метою вони спостерігали й аналізували особливості будови геологічних пластів у місцях виходу на земну поверхню гірських порід, проникали у природні печери, копали глибокі шурфи. Вивченню надр Землі сприяло широке впровадження у XX ст. буріння свердловин для пошуків родовищ корисних копалин і створення підземних шахт для їх видобутку. Довгий час рекордною вважалася глибина, яку досягла свердловина в шахті Оклахома (США) — 9583 м. Нині в Росії в Польській надглибокій свердловині турбобур опустився вже на глибину більше 12 км.

Отже, навіть за допомогою сучасних надглибоких свердловин можна досліджувати зразки гірських порід, взятих тільки з поверхневих шарів земної кулі. Більш глибокі горизонти недоступні для прямих методів аналізу. Але вчені все ж винайшли методи для вивчення загальних особливостей будови надр Землі. Найбільш доступним і поширеним способом дослідження глибоких шарів є вивчення особливостей поширення сейсмічних хвиль через тіло Землі. Коли відбувається землетрус, сейсмічні хвилі, що зароджуються в його фокусі, проходять через надра Землі по-різному. Ці хвилі належать до двох основних типів. Поздовжні (первинні) хвилі поширюються через тіло Землі так само, як звукові хвилі проходять через повітря. Вони передають зміну об'єму, тобто по черзі стиснення і розширення гірських порід. У порівнянні з іншими типами сейсмічних хвиль вони мають найбільшу швидкість, поширюються в твердих і рідких середовищах, позначаються буквою Р (від лат. prima — перші, первинні). Поперечні (вторинні) хвилі передають зміну форми матеріалу, поширюються тільки в твердих середовищах і позначаються буквою S (від лат. sekunda — другі). При цьому рух частин відбувається перпендикулярно до напряму руху хвилі. Землетрус звичайно супроводжується двома послідовними поштовхами: спочатку — легкий струс, а пізніше — більш сильний удар. Перший показує прихід Р-хвиль, другий — S-хвиль. Швидкість останніх приблизно в 1,7 рази менша за швидкість поширення поздовжніх хвиль, але їх руйнівна дія значно більша. Тому невипадково при перших же підземних поштовхах рекомендується негайно покинути закриті приміщення. На відкритій місцевості більш сильні повторні поштовхи становитимуть меншу небезпеку для життя.

Зіставлення сейсмограм, тобто записів форми, величини і часу проходження хвиль землетрусів, зроблених на сейсмічних станціях, розташованих у різних місцях земної поверхні, дозволяє визначити швидкість і шлях проходження хвиль через усе тіло Землі. Якщо б Земля була однорідним за хімічним складом тілом, то шлях хвиль через неї був би прямолінійним, а швидкість скрізь однаковою. Насправді шляхи проходження хвиль мають складну форму, а швидкості зазнають стрибкоподібних змін (рис. 8).

Рис. 8. Швидкості поздовжніх (Р) і поперечних (S) хвиль у тілі Землі

Аналіз поширення сейсмічних хвиль, що виникають при природних або штучних землетрусах (викликаних, наприклад, сильним вибухом), свідчить, що на певній глибині швидкість поздовжніх хвиль зростає з 6—7 км/с до 8 км/с. Поверхневий шар порід, що залягає над цією умовною границею, називається земною корою, а пласти, що залягають нижче, — мантією. Сама ж межа названа границею Мохоровичича — за іменем югославського сейсмолога, який в 1909 р. вперше визначив глибину її залягання. Цю межу ще називають границею (або поверхнею) Мохо, або просто розділом М. У мантії швидкість поздовжніх хвиль поступово збільшується і на глибині 2900 км досягає 13,6 км/с, після чого, тут на межі з ядром Землі, падає до 8,1 км/с, а ближче до центра знову зростає до 11 км/с.

На основі одержаних геофізичних даних, що характеризують внутрішню будову землі, надра планети прийнято поділяти на такі основні геосфери: земну кору, мантію і ядро (рис. 9). Кожна із цих сфер має свої фізико-хімічні особливості.

Земна кора (А) — верхня тверда кам'яна оболонка Землі завтовшки 5—20 км на дні океанів і до 65—75 км на материках, знизу досить чітко обмежена поверхнею Мохоровичича. З глибиною тиск зростає до 10—15 тис. атмосфер, а температура гірських порід підвищується до 800 °С. Відповідно до змін швидкості поширення сейсмічних хвиль у земній корі в ній виділяють три шари: верхній — "осадовий", середній — "гранітний" і нижній — "базальтовий". Вони відрізняються хімічним і мінеральним складом, фізичними властивостями порід, різною товщиною та неоднаковим географічним поширенням.

Рис. 9. Внутрішня будова Землі

Мантія розташована на глибинах від 20 (в середньому) до 2900 км. Ця проміжна оболонка займає понад 80 % об'єму земної кулі. Вона має кілька концентричних шарів, кожен з яких більш-менш однорідний: верхній (В), середній (С) і нижній (D). Верхня мантія (20—400 км) складається з дунітів — силікатних порід, багатих магнієм і залізом. Нижче дуніт, можливо, переходить в ущільнену різновидність габро — еклогіт. В середній мантії (400—1000 км) відбуваються найбільші фізико-хімічні перетворення мінералів: порушуються кристалічні решітки, стискаються електронні оболонки, щільно утрамбовуються атоми. В нижній мантії (1000—2900 км) атоми настільки зціплюються, що гірські породи набувають властивостей металів.

Верхня мантія, або астеносфера, разом із земною корою утворюють тектоносферу. Особливо велику роль у тектонічних рухах відіграє астеносфера, речовина якої внаслідок високих температур (близько 1200 °С) перебуває в розм'якшеному стані. Це підтверджується зниженням швидкості поширення сейсмічних хвиль. Астеносфера, маючи пластичні властивості і утримуючи на собі тверді породи, нестійка в механічному і фізико-хімічному відношеннях і тому виступає джерелом зародження висхідних і низхідних рухів речовини. Встановлено, що багато фокусів землетрусів розташовані саме тут.

Вважають, що мантія складається зі сполук оксидів кремнію, магнію і заліза. У ній тиск із глибиною зростає, а густина речовини змінюється від 3,3 г/см3 у верхніх шарах до 5,5 г/см8 в нижніх. Незважаючи на високу температуру на межі ядра (близько 3800 °С), речовина в нижній мантії перебуває в твердому стані, бо знаходиться в умовах дуже високого тиску.

Ядро Землі має радіус 3470 км, займає 16 % об'єму планети і становить 1/3 її маси. Поперечні хвилі земне ядро через себе не пропускає. У зв'язку з цим допускають, що речовина тут знаходиться в розплавленому стані. Однак, оскільки ядро перебуває в умовах високих температур і під колосальним тиском, його властивості відмінні від властивостей рідини на поверхні Землі. Нижче границі мантії швидкість поширення поздовжніх хвиль поступово зростає до 10,2 км/с, а на глибині 4980 км стрибкоподібно збільшується до 11 км/с і далі майже не змінюється. Це дає підстави вважати, що речовина в середині ядра знову набуває властивостей твердого тіла. На цій основі ядро прийнято поділяти на рідке зовнішнє (Е), тверде внутрішнє (G) та перехідний шар (F) між ними (див. рис. 9, с. 83). З приводу хімічного складу ядра висловлювались різні думки: 1)ядро Землі складається із заліза з невеликими домішками нікелю, воно утворене залізними метеоритами; 2) складається із силікатних сполук і є кам'янистою речовиною з домішками заліза, дуже ущільнене високим тиском; 3) зовнішнє ядро силікатне, а внутрішнє — залізне. Густина ядра скрізь більша за 10 г/см³ і в центрі досягає 12 г/см³, що суттєво змінює властивості гірських порід.

Особливості внутрішньої будови Землі, наявність в ній концентричних сфер специфічного складу і будови пояснюються вченими по-різному. Прихильники гіпотез Канта і Лапласа вважають, що формування оболонок відбувалося у відповідності з послідовним охолодженням хімічних елементів. Спочатку конденсувалися тугоплавкі залізо і нікель, які утворили ядро планети. У міру подальшого зниження температури навколо ядра нагромаджувалися більш легкі силікатні елементи та їх сполуки. У кінці охолодження планети на її поверхні утворилася тверда земна кора, в заглибленнях якої осіла вода, що виділялася з парів і газів. Проте подальше вивчення древніх гірських порід показало, що в них відсутні ознаки формування тіла з вогняно-рідкої маси уже з самого початку розвитку Землі, що робить дану гіпотезу малоймовірною.

Згідно з іншою гіпотезою, неоднорідність хімічного складу оболонок Землі виникла не одразу. Вона утворилася з колись однакової за складом холодної протопланетної речовини внаслідок розігріву і часткового розплавлення гірських порід. Це і призвело до диференційованого розподілу елементів первісної речовини: з розплавленої маси в ядрі осідали важкі залізо і нікель, а в мантії нагромаджувалися більш легкі магній та кремній, а також оксиди і силікати. Ця гіпотеза найбільш повно пояснює особливості сферичної внутрішньої будови нашої планети, які були виявлені при досліджені її надр.

Зауважимо, що далеко не всі геологи поділяють гіпотези, в яких визначається відмінність хімічного складу земних оболонок. Так, прихильники гіпотези фазових переходів вважають, що все тіло Землі складається з однорідних за хімічним складом гірських порід. Але під впливом дуже високих тиску і температур, які панують у надрах планети, стан хімічних елементів різко змінюється внаслідок зближення і стиснення електронних оболонок між собою, що і призводить до стрибкоподібних змін властивостей гірських порід на певних глибинах.