Взгляд на современное строение земли

отделяющую земную кору от мантии, назвали границей Мохоровичича (поверхностью Мохоровичича). Или более коротко: границей Мохо. При переходе через эту границу скорость сейсмических волн увеличивается скачком.

На основании сейсмологических наблюдений мантию разделяют на верхнюю (до глубины около 650 км) и нижнюю, более плотную (от 650 км до 2900 км). Более подробно изучена верхняя мантия. В ее пределах обнаружен любопытный слой, имеющий пониженную твердость и незначительную вязкость. В пределах этого слоя твердые породы как бы «разбавлены» веществом, находящимся в жидком расплавленном состоянии. В результате возникает своеобразное пластичное «твердожидкое» состояние, характеризующееся слабо выраженной текучестью. Этот слой был обнаружен в 1914 году немецким геофизиком Бено Гутенбергом (1889-1960). Его назвали астеносферой (от греческого «астенос», что означает «ослабленный»). Верхняя граница астеносферы находится на глубине примерно 50 км под дном океанов и на глубине около 100 км под континентами. Нижняя граница астеносферы находится на глубинах 200-300 км. При определенных условиях «твердожидкая» астеносфера может превращаться в жидкую магму - и тогда возможно извержение вулкана.

Отметим, что весь твердый слой, включающий в себя земную кору и  участок от границы Мохо до верхней границы астеносферы, принято называтьлитосферой. Ее следует рассматривать как твердый «панцирь» нашей планеты. «Литое» по-гречески означает «камень».

На глубине 2900 км мантия сменяется ядром. Поперечные сейсмические волны сквозь границу ядра не проникают. Отсюда следует, что по крайней мере внешняя часть ядра представляет собой жидкий расплав. Геологи считают, что жидкое ядро находится на глубинах вплоть до 5100 км (внешнее ядро), а дальше имеется твердое и очень плотное (около 12 г./см³) внутреннее ядро.

В целом наблюдается следующая картина. Под твердой литосферой находится «размягченный» слой астеносферы, способный достаточно легко превращаться в расплавленную магму. Ниже астеносферы, вплоть до границы между мантией и ядром, располагаются твердые магматические породы. В области внешнего ядра наблюдается жидкий расплав, который становится твердым при переходе к внутреннему ядру. Итак, по мере погружения в недра Земли и приближения к ее центру твердое вещество сначала превращается в вещество, близкое к жидкому, затем снова твердеет, потом становится жидким и, наконец, опять превращается в «твердь». Такая картина может показаться тебе немного странной.

Чтобы понять, в чем тут дело, надо учесть, что температура плавления  породы зависит от давления, под  которым эта порода находится. Чем выше давление, тем больше температура, при которой твердая порода начинает плавиться. По мере погружения в более глубокие пласты температура земных недр постепенно растет. Одновременно растет и давление пластов. Поначалу температура растет с глубиной так быстро, что, несмотря на рост давления, порода готова вот-вот расплавиться (это наблюдается в области астеносферы). Потом повышение температуры с глубиной становится относительно медленным, и возрастающее давление обеспечивает твердость породы. Так продолжается вплоть до глубины 2900 км. А там по некоторым причинам температура начинает с глубиной достаточно быстро расти, что и приводит к расплавлению внешнего ядра. В конечном счете реванш снова берет давление - и в области внутреннего ядра мы снова имеем твердое тело. И это несмотря на то, что температура внутреннего ядра достигает 6000 °С. Зато и давление здесь исключительно велико - около 3 млн. атм.

Каков химический состав земных недр?

Принято оценивать отдельно химический состав земной коры (точнее, той части  коры, которая простирается на глубину  до 16 км от поверхности) и химический состав земного шара в целом. Состав земной коры достаточно точно определил американский геохимик Фрэнк Кларк (1847-1931). Он трудился над этим 20 лет, обобщил результаты более 5 тысяч анализов. И вот какой состав земной коры был в итоге установлен: кислород -47%, кремний - 29,5%, алюминий - 8,05%; железо - 4,65%, кальций -2,96%, натрий - 2,50%, калий - 2,50%, магний - 1,87%.

Остальные элементы содержатся в земной коре в незначительных количествах.

Как ты видишь, основные химические элементы земной коры - это кислород и кремний. На них приходится почти 4/5 всего вещества коры. Можно говорить о кислородно-кремниевом панцире планеты. Главное химическое соединение здесь - это кремнезем (8Ю₂). Заметим, что в гранитах содержится до 80% кремнезема, а в базальтах - около 50%.

Химический состав земного шара в целом (а не только его «кожуры») оценить, конечно, сложнее. Приходится во многом опираться на гипотезы о  внутреннем строении Земли. Поэтому  неизбежны неточности. Принято считать, что земной шар состоит в основном из железа (35%), кислорода (30%), кремния (15%) и магния (13%). Конечно, эти химические элементы представлены в основном не в виде простых веществ, а в  виде различных соединений.

Итак, на первом месте оказывается  не кислород, а железо. Поэтому можно  говорить, что наша планета - это прежде всего железная планета. Геологи полагают, что именно в ядре сосредоточены основные запасы железа.

Глава 3.Минералы

Какие вещества называют минералами?

Без сомнения, тебе не раз приходилось  слышать слово «минерал». А сможешь  ли ты объяснить, что это такое? Возможно, ты считаешь минералом гранит и базальт или, скажем, янтарь и изумруд. Но это не минералы. Возможно, ты не считаешь минералами обыкновенный лед, самородное золото, слюду. Но на самом деле и то, и другое, и третье - это минералы. Так что надо разобраться с минералами.

Как тебе известно, химические элементы, соединяясь друг с другом, образуют различные вещества (различные химические соединения). Если эти вещества являются кристаллами, если, кроме химического  состава, они обладают также определенными  физическими свойствами и если они  образовались в земной коре в результате неких природных процессов, то такие  вещества называют минералами. Итак, у  минерала есть четыре признака: определенный химический состав (определенная химическая формула плюс возможные примеси), наличие кристаллической структуры, определенные физические свойства, природное происхождение (в недрах Земли или на ее поверхности).

Например, гранит, мрамор, жемчуг не могут  считаться минералами, поскольку  не имеют определенного химического  состава. Они неоднородны, представляют собой смеси нескольких сложных  веществ. Встречающаяся в природе  чистая ртуть тоже не признается минералом - ведь она не кристалл. По этой же причине  не считается минералом янтарь. Искусственно полученные в лабораторных условиях рубины или алмазы не считаются минералами по той причине, что они искусственные. Минералы должны формироваться не иначе, как в природной среде. Их нельзя получать искусственно, их надо добывать в земных недрах, на поверхности  земли, на дне океана. Кстати, латинский  термин «минера» переводится как  «руда».

Заметь, что простое вещество, если оно твердое и встречается  в природе, можно считать минералом. Примеры минералов: самородные золото, серебро, медь, свинец, железо, олово и другие. Углерод, например, может выступать в виде не одного, а двух разных минералов - природного алмаза и графита.

Но, конечно, подавляющее большинство  минералов - это сложные вещества. Минералоги насчитывают около 3 тысяч  разных минералов.

Многообразие минералов

Больше всего в природе минералов, содержащих в своем составе кремний. Их общее название - силикаты. Известно более 500 минералов, относящихся к силикатам. На их долю приходится до 80% массы земной коры.

Среди силикатов на первом месте  по распространенности стоят минералы, называемые полевыми шпатами (50% массы земной коры). В состав этих минералов входят натрий, калий, кальций вместе с группой А181₃0₈. Отметим в качестве примера минералы плагиоклазы (их химический состав: Ма [А181₃0₈]) и ортоклазы (химический состав: К [А18д.₃0₈]). Разумеется, запоминать все эти мудреные названия и формулы от тебя не требуется.

Около 3% массы земной коры приходится на силикатные минералы слоистого типа - слюды. В их составе содержится группа А181_дО₁₀. Отметим среди силикатов также минералы оливины (они содержат группу 8Ю₄; например, М§₂8Ю₄) и пироксены (они содержат группу А181₂0₆). Особо надо сказать окварцах (8Ю₂); на них приходится 12% массы земной коры. В зависимости от примесей получаются разные кварцы - бесцветный горный хрусталь,фиолетовый аметист, черный морион, золотистый цитрин и другие.

Следующими по распространенности в земной коре являются после силикатов  минералы, представляющие собой окислы металлов - оксиды. Этих минералов известно около 300; они составляют 17% массы земной коры. Отметим среди них прозрачный и очень твердый минерал корунд (А1₂0₃). При наличии примеси хрома он превращается в розовый или красный рубин, а при наличии примесей железа и титана - в голубой и синий сапфир. Из оксидов отметим также кассерит, или оловянный камень (8п0₂), и гематит (Ре₂0₃). Первый является оловянной рудой, а второй - железной рудой. К оксидам надо отнести и такой минерал как природный лед.

Около 1,7% массы земной коры приходится на минералы, содержащие группу С0₃ - так называемые карбонаты. Таких минералов около ста. Отметим среди них кальцит, или известковый шпат (СаС0₃), доломит (СаМ§[СО]), малахит (Си [СО] * (ОН)). Около 0,1% массы земной коры

составляют 190 минералов, относящихся  к сульфатам. Эти минералы содержат группу 80₄. Примером может служить минерал гипс (Са80₄ 2Н₂0). Не надо путать его с тем быстро застывающим гипсом, который врачи используют при переломах костей.

Наконец, нельзя не отметить и такой  минерал, как галит. Название его тебе, возможно, неизвестно. Однако этим минералом ты пользуешься ежедневно, потому что галит - это поваренная соль.

Горные породы

Можно, пожалуй, на этом закончить  разговор о самих минералах и  заняться горными породами. Это те же самые минералы, но взятые не по-отдельности, а в виде скоплений, которые образуются в естественных условиях в земной коре. Учитывая условия, при каких образуются те или иные скопления минералов, различают три основные типа горных пород: магматические породы, осадочные породы, метаморфические породы.

Магматические горные породы

Начнем с магматических горных пород. Эти породы образуются в результате застывания природных расплавов, называемых магмами. Заметим, что, если, прежде чем застыть, расплавленная магма выходит на поверхность, то ее называют уже не магмой, а лавой.

Расплавленные магмы наблюдаются  на глубинах до сотен километров - в  пределах литосферы и астеносферы. Их температура составляет примерно от 500 °С до 1500 °С - в зависимости от состава магм и условий плавления (и прежде всего величины давления). По составу магматические породы подразделяют на:

кислые (в них больше всего оксида кремния 8Ю₂; его здесь больше 65%);

средние (содержание 8Ю₂ - от 65% до 52%);

основные (содержание 8Ю₂ - от 52% до 45%);

ультраосновные (содержание 8Ю₂ - менее 45%).

Все магматические породы (от кислых до ультраосновных) подразделяют на две  группы - в зависимости от того, где  именно произошло их застывание. Если оно произошло под земной поверхностью, т.е. в толще земных недр, то в этом случае магматическую породу называют плутонической, или интрузивной (от латинского «интрузио», что означает «внедрение»). Если же магма излилась на земную поверхность или на дно океана и превратилась в лаву, а уже потом застыла, то в этом случае магматическую породу называют вулканической, шли эффузивной (от латинского «эффузио», что означает «разлитие»).

Что нужно знать о гранитах? Отметим, прежде всего, что это кислые магматические породы с содержанием оксида кремния до 80%. Это породы интрузивного типа - они образуются не на поверхности, а в земных недрах. Состоят граниты из зерен минералов кварца, полевого шпата, слюды. Кстати, «гранит» происходит от латинского «гранум», что означает «зерно». Внешне граниты выглядят весьма пестро. Различаются они по цвету (серые, красные, желтоватые, зеленоватые) - в зависимости от соотношения входящих в них минералов.

Кислые породы эффузивного типа (вязкие лавы) называют риолита-ми. Примером может служить обсидиан - вулканическая красно-черная порода. Ее можно назвать вулканическим стеклом, поскольку при очень быстром остывании вязкой лавы кристаллы просто не успевают образоваться.

Базальты относятся к основным породам; содержание оксида кремния в них не превышает 50%. Это породы эффузивного типа, т.е. застывшие лавы. Они содержат такие минералы, как полевой шпат, оливин, пироксен. Выделяющиеся из лавы пузырьки газа делают базальтовые породы, как правило, пористыми.

Если базальтовая магма застывает  где-то на глубине, то она образует породу, называемую габбро. Это крупнозернистая порода, в которой много плагиоклаза (разновидности полевого шпата) и пироксена.

Под пластами габбро, на глубинах ниже 10 км от уровня моря залегают обедненные оксидом кремния ультраосновные породы, называемые перидотитами.Главные минералы здесь уже не полевые шпаты, а оливин и пироксен. Перидотит нередко называют базальтом, обогащенным оливином. Под давлением перидотиты могут превращаться в серпентиниты - породы с красивыми вытянутыми в полосы узорами, названные из-за них «змеевиками». Латинское слово «серпентинус» означает «змеиный».

Осадочные горные породы

Теперь займемся осадочными горными  породами. Под воздействием различных  факторов (смены температур, влияния  ветра и воды, работы живых организмов) магматические породы с течением времени разрушаются. Продукты разрушения могут быть очень разными - от крупных глыб до малых песчинок и даже пылинок. Возникают новые скопления минеральных частиц, к которым добавляются частицы органические (остатки растений и животных). Все это осаждается на земную поверхность, в частности на океаническое дно, уплотняется, подвергается химическим превращениям и, в конечном счете, превращается в осадочные породы. Так, разрушение гранита приводит к возникновению щебня, гравия, гальки, песка, глины. Песок образуется из минерала кварца, а глина - из минералов полевого шпата и слюды. Уплотняясь, галька, песок и глина могут образовывать осадочные породы, называемыеконгломератами. Песок, сцементированный глиной и известью, образует песчаник. Такие минералы, как кальцит и доломит, образуют вместе с остатками скелетов организмов породу, называемую известняком.

Тебе, наверное, приходилось слышать  о коралловых рифах. Это пример осадочных пород типа известняков. Они создаются в течение длительного времени морскими организмами, существующими в виде колоний (сообществ). Значительная часть рифов построена кораллами. Кораллы - мельчайшие морские беспозвоночные с известковым скелетом. Они добывают кальцит из морской воды и сооружают из него красивые ветвистые постройки.

С известняками связано также возникновение карстовых пещер. Они образуются вследствие растворения и вымывания подземными водами известняков, содержащихся в осадочных породах. Возникают причудливые подземные пещеры и лабиринты. Внутри них нарастают великолепные каменные скульптуры из известняка - сталактиты и сталагмиты.