Земля по форме очень мало отличается от шара. Она лишь сплюснута вдоль оси вращения на 42,8 км. Экваториальный радиус земного шара 6 378 245 м, полярный — 6 356 863 м. Средний радиус шара, равновеликого земному, приблизительно равен 6370 км. Объем Земли 1080∙1024 см3, или 1080∙109 км3; ее масса 5980∙1024 г, или 5980∙1018 т.
Во внутреннем строении земного шара на основании сейсмических исследований обнаруживается четкое деление на кору, мантию и ядро. Каждая из этих структурных составляющих делится менее четкими границами на некоторое число сфер.
Породы, слагающие мантию Земли, неодинаковы; сверху они менее плотны. Скорость сейсмических продольных волн в пределах мантии возрастает с глубиной от 7,8 до 13,6 км/сек. На глубине 2900 км она резко уменьшается до 8,1 км/сек. Поперечные сейсмические волны проникают только до этой же глубины. С глубины 2900 км и до центра земного шара лежит вещество, слагающее ядро диаметром 6940 км. Внутри ядра также обнаружена сферическая поверхность, которая отделяет так называемое ядрышко, или внутреннее ядро. Диаметр ядрышка 2500—3000 км.
На основании того, что поперечные волны не проходят в ядро, считается, что оно находится в жидком состоянии. В каком виде находится вещество ядрышка — в виде ли жидкости или в твердом состоянии, установить еще не удалось.
На основании данных, полученных в результате изучения Земли сейсмическими и другими косвенными методами, можно считать, что средняя плотность вещества оболочек, слагающих Землю, хотя и не равномерно, растет с глубиной. Сведения о глубине залегания границ, отделяющих мантию от земной коры, ядро от мантии и ядрышко от ядра, а также средние значения плотности пород, слагающих оболочки, приведены в табл. 1.
Если о долевом участии оболочек земного шара в его объеме можно судить с большой достоверностью, то об их массе судить значительно труднее, так как нет никаких сколько-нибудь достоверных сведений о плотности вещества и его химическом составе в недрах Земли. К наиболее объективным данным о свойствах вещества недр земного шара относятся только данные о скорости распространения
сейсмических волн. Но на скорость волн влияет большое число факторов, в том числе плотность, пористость, химический состав, прочность, температура, давление, агрегатное состояние и др. Поэтому нет возможности однозначно решить вопрос о плотности вещества, слагающего оболочки Земли и ее ядро.
Понятие «земная кора» возникло еще тогда, когда предполагалось, что Земля образовалась как огненно-жидкое тело, на поверхности которого вследствие охлаждения образовалась тонкая кора из наиболее высокоплавких и наиболее легких «шлаков».
В настоящее время доказано, что земной шар сложен из твердого вещества, и земной корой считают слои, находящиеся
выше поверхности, на которой скорость распространения сейсмических волн возрастает на 1—2 км/сек. Эта поверхность получила имя открывшего ее югославского ученого А. Мохоровичича. Она отделяет земную кору от мантии — следующей оболочки Земли, состоящей из более плотных и более прочных твердых пород.
Земная кора, если под этим понятием понимать все виды вещества, находящиеся выше поверхности Мохоровичича, состоит из литосферы, гидросферы, атмосферы и биосферы (табл. 2).
Различают две основные разновидности земной коры: кору материков и кору океанов. Они отличаются как по составу, так и по мощности. Мощность коры суши, занимающей площадь 149 млн. км2, в среднем равна 37 км, а мощность коры океанов на площади 361 млн. км2 равна в среднем всего 7 км.
Как на суше, так и под океанами поверхность земной коры покрыта осадками, состоящими из песчаников, глин и карбонатных пород. На материках их мощность больше, местами она достигает 20 км; на дне океанов мощность осадков невелика и колеблется от 0 до 3 км. Существенным отличием коры материков от коры океанов является то, что на материках имеется мощный (15—20 км) слой гранитов. Ниже гранитной оболочки, вероятно, находится слой базальтов примерно такой же мощности. Граница между гранитами и базальтами получила наименование поверхности Конрада. Под океанами кора состоит только из базальтов, мощность слоя которых в среднем составляет около 5 км.
Общая характеристика физических слоев коры по данным Н. А. Беляевского и В. В. Федынского приведена в табл. 3.
Средняя плотность земной коры 2,8 г/см3, подкорового слоя — 3,3 г/см3, скорость прохождения продольных волн 6 и 8 км/сек соответственно. Кора делится не только на континентальную и океаническую, но и имеет большое число разновидностей. П. Н. Кропоткин выделяет 8 типов земной коры, отличающихся по мощности и по характерным для каждой из них аномалиям силы тяжести. Кора материков обычно характеризуется большой мощностью и наличием отрицательных гравитационных аномалий. По этим признакам в ней выделены следующие типы:
1) мощная кора складчатых хребтов и поднятых участков и платформ (Н = 50—80 км, Δg от +550 до +200 мгл);
2) кора менее приподнятых областей (Н=30—60 км, Δg от —300 до +50 мгл);
3) кора невысоких равнин и шельфов (Н = 15—40 км, Δg от —100 до + 100 мгл) — подразделяется на:
кору стабильных докембрийских эпипалеозойских платформ с поверхностным или неглубоко залегающим фундаментом (Н = 25—40 км); кору с резко сокращенной мощностью фундамента.
В областях океанической и субокеанической коры П. Н. Кропоткин выделил 5 типов:
1) кора внутренних морей (Н = 20—30 км, Δg от —50 до +200 мгл) с мощным комплексом осадков (10—15 км), залегающих на «базальтовом» слое;
2) глубокие части окраинных морей (Н = 7—25 км, Δg от +150 до +450 мгл);
3) океанический тип коры — материковый склон, подводные хребты, вулканические острова (Н =10—20 км, Δg от +50 до +200 мгл);
4) кора глубоководных желобов (Н =5—17 км, Δg более 250 мгл);
5) кора глубоких частей Мирового океана (Н = 3—15 км, Δg от +150 до +450 мгл).
А. Полдерварт выделяет два резко отличных региона: глубинная океаническая область, площадь которой равна 268∙106 км2 со средней глубиной океана 4,5 км (мощность коры дна под этой площадью составляет всего 6 км), и область континентального щита площадью 105 • 106 км2 и средней высотой над уровнем океана 0,75 км. Мощность континентальной коры 35 км. Он различает также две переходные области: область молодых складчатых поясов, площадь которых равна 42∙106 км2, с мощностью коры 14 км, и субокеаническая (континентальные платформы и склоны, а также краевые глубоководные рвы), площадью 93∙106 км2, с мощностью коры 18 км. Остальные 2 • 106 км2 суши в основном приходятся на вулканические острова, расположенные в пределах глубинной и субглубинной областей.
Из общей массы земной коры по объему на долю материковой приходится 69%, или 5,5∙109 км2, и на долю океанической — 31%, или 2,5∙109 км2.
Необходимо отметить, что поверхность Мохоровичича залегает на определенной, характерной для данного рельефа местности, глубине независимо от возраста пород, слагающих земную кору. Так, например, поверхность Мохоровичича проходит на глубине 40 км как в Балтийском щите, где породы имеют древнейший возраст, достигающий 3 млрд. лет, так и в молодых складчатых сооружениях Кавказа.
Еще недавно считалось, что земная кора в отличие от мантии сложена породами, в которых скорость продольных сейсмических волн соответствует скорости в гранитах и базальтах. Однако работами, проведенными главным образом на протяжении МГГ, выявлены случаи, когда поверхность Мохоровичича проходит в области скоростей сейсмических волн, превышающих 6—7 км/сек. Такие скорости не могут иметь места в граните и базальте. И сейчас неясно, что же такое земная кора, ибо плотность пород, лежащих над поверхностью Мохоровичича, иногда характерна для пород верхних слоев мантии, а не для коры. Земная кора суши резко отличается от коры океана по химическому и минеральному составу. И та и другая еще более отличаются от вещества мантии как по плотности и прочности, так и по химическому составу, однако сведения о составе вещества мантии весьма ограниченны.
О природе и происхождении земной коры высказано множество гипотез, ни одна из которых не дает удовлетворительных объяснений причин различия состава и мощности коры суши и океанов.
Т. Вильсон высказал предположение, что земная кора, так же как гидросфера и атмосфера, образовалась из вещества мантии вследствие вулканических извержений, выбрасывающих выплавляющиеся в недрах мантии легкоплавкие вещества (начальной поверхностью Земли Т. Вильсон принимает поверхность Мохоровичича). В результате этих вулканических извержений прежняя поверхность Земли осталась глубоко под слоем изверженных пород.
Такое предположение малоприемлемо не только потому, что (как следует из данных, которые он приводит) приход вулканического вещества в последние столетия составляет всего около 0,8 км3 в год, а речной снос вещества с материков за год превышает 12 км3, но и потому, что оно не объясняет различий коры материков и океанов.
Для объяснения причин появления континентальной и океанической коры, а также континентов и океанов были предложены гипотезы, привлекающие различные космические факторы.
Г. Альфвен в 1963 г. выдвинул гипотезу, объясняющую образование континентов тем, что 3—4 млрд. лет назад Луна, якобы бывшая самостоятельной планетой, настолько приблизилась к Земле, что разрушилась, часть ее упала на Землю и образовала материковую земную кору, неравномерно покрывающую поверхность Земли: другая часть стала нашим спутником — Луной, а мелкие частицы — метеоритами.
Дж. Дарвин в 1911 г. высказал гипотезу, по которой ложе Тихого океана образовалось в результате отрыва части земной поверхности, которая превратилась в нашего спутника — Луну. Эта идея и сейчас находит многочисленных последователей (О. Опенгейм, Р. Швинер, Г. Квиринг, Г. И. Берлин, Е. Краус и др.).
Одни ученые полагают, что Земля охлаждается и сжимается, другие, наоборот, находят доказательства бурного увеличения земного шара. Имеются и попытки объяснить наблюдаемые явления и факты конкретными процессами, течение которых возможно либо в земной коре, либо в породах мантии Земли. Так, В. В. Белоусов разрабатывает радиомиграционную гипотезу, по которой образование континентов, обогащение материковых толщ кремнием, тектонические и вулканические процессы связаны с дифференциацией вещества мантии Земли и с выделением из нее богатых радиоактивными веществами пород. Такие породы, близкие по составу к гранитам, по его мнению, всплывают к поверхности земной коры и вызывают подъем, плавление и другие процессы, требующие тепловой и механической энергии. Многократные аналогичные явления в одних и тех же местах, по В. В. Белоусову, связаны с тем, что дифференциация проходит в разных «этажах» мантии не однократно, а последовательно.
В последние годы В. В. Белоусов пришел к выводам, что поверхность Земли сначала прошла стадию гранитизации, когда «В архее земной шар был весь более или менее равномерно покрыт материковой корой, которая в дальнейшем лишь увеличивалась в мощности». Затем в конце палеозоя, по его мнению, наступил перелом, когда в кору поднялся ультраосновной материал, расплавивший материковую кору и погрузившийся обратно в мантию; в результате «… на месте материковой коры образовалась кора океанического типа». Процесс дальнейшей океанизации коры суши, как он считает, будет продолжаться и далее.
Эта гипотеза, как и другие, базирующиеся на процессах дифференциации вещества мантии, непригодна для объяснения длительного существования материков и океанов. Кроме того, эта гипотеза находится в непримиримом противоречии с законами физики и механики, по которым менее плотное вещество никак не может погрузиться в более плотное. Поэтому всплывшее на поверхность Земли ультраосновное вещество после растворения в нем мощных толщ материковой коры не могло уйти в мантию, как допускает В. В. Белоусов.
В. А. Магницкий выдвинул идею процесса образования материковых толщ и обогащения их кремнием. По его представлению, кремний выделяется из пород мантии в результате реакции
Эта реакция должна по термодинамическим соображениям протекать в слоях мантии, находящихся на глубине не более 500 км. На больших глубинах более устойчивым является MgSiO3. Это представление может помочь понять обогащение материковых пород кремнием, но оно не объясняет, почему материковые толщи возвышаются над дном океана почти на 5 км. Выделение SiO2 в пределах верхней мантии должно было настолько же уменьшить объем пород, насколько увеличился объем земной коры. Суммарный эффект от процесса дифференциации продуктов по приведенной выше реакции не может существенно сказаться на уровне дневной поверхности. Такой же суммарный эффект неизбежен и при осуществлении процессов серпентинизации. В этих процессах видит решение загадки возникновения континентов X. X. Хесс, который уже на протяжении 25 лет развивает идею об увеличении пород мантии Земли при превращении их в земную кору за счет присоединения к оливинам воды с образованием серпентинов, имеющих состав, отвечающий формулам:
При этом уменьшается плотность пород и они, якобы, всплывают на более тяжелых породах мантии. Отвечает действительности в этом представлении то, что плотность пород за счет присоединения воды уменьшается. Однако вода, которая, присоединилась к породам верхней мантии, должна была выйти из более глубоких горизонтов мантии, где вследствие этого произойдет соответствующее увеличение плотности остающегося вещества и уменьшение его объема. Суммарный эффект такого перемещения воды снизу вверх равен нулю.
Имеются и более радикальные точки зрения на причины появления границ, обнаруживаемых при сейсмических исследованиях Земли. Так, А. Ф. Капустинский считает, что они связаны с изменениями в строении внешних электронных оболочек атомов, происходящими под влиянием давления. Внешние электроны при давлениях, существующих на глубине залегания поверхности Мохоровичича, якобы, переходят на незаполненные уровни энергии, и электронные оболочки приобретают более плотную упаковку. Аналогичными превращениями в строении электронных оболочек он объясняет и увеличение плотности вещества ядра Земли и переход его в «металлическое состояние».
Однако поскольку нижняя граница земной коры находится на относительно небольшой глубине, особенно под океанами, и к тому же на весьма различной, объяснение, связанное с изменениями строения атомов под влиянием давления, не может быть применимо для обоснования появления границы Мохоровичича.
Большое внимание анализу проблемы происхождения земной коры и созданию гипотезы, которая должна вывести науку о земной коре из тупика, уделил Д. Кеннеди. Он считает, что представлению о сиалической коре океанов и сиалическом составе коры континентов, плавающих на более плотном симатическом субстрате, противоречат следующие факты.
1. Большие площади материков, эродированные до уровня моря, могут внезапно оказаться поднятыми на тысячи футов вверх.
2. Законы физики нарушаются тем, что осадки с низкой плотностью, по-видимому, способны сместить породы более высокой плотности; прогибы осадков низкой плотности, вероятно, опускаются в субстрат, обладающий большей плотностью.
3. Скорость теплопередачи из недр Земли через материки, горные хребты и океанические бассейны, в первом приближении, одинакова.
4. Срок жизни материков и горных хребтов значительно больше, чем это можно было бы ожидать по скорости эрозии.
Д. Кеннеди видит разгадку трудных проблем, связанных с образованием легких пород земной коры, слагающих континенты, в том, что граница Мохоровичича является разделом не между породами различного химического состава, а между породами одного и того же состава, но различного минерального состава и кристаллического строения. Д. Кеннеди, как и ряд его предшественников, считает, что ниже базальтов и габбро лежат эклогиты, близкие к ним по химическому составу. Так как эклогиты имеют плотность 3,3 г/см3, т. е. на 10% более высокую, чем плотность габбро (2,95 г/см2), то эклогиты могут существовать только при высоких давлениях. В этих структурных переходах базальтов в эклогиты Д. Кеннеди видит разгадку природы и происхождения раздела Мохоровичича. Он утверждает, что экспериментально обнаружен (при 500° С и давлениях ниже 10 000 атм) переход базальтового стекла в габбро, основным компонентом которого является полевой шпат. При давлениях выше 10 000 атм и 500° С базальтовое стекло кристаллизуется в породу, состоящую из жадеитового пироксена, и образуются эклогиты. В зависимости от давления и температуры легкие породы могут переходить в плотные и наоборот. Соответственно происходит увеличение или уменьшение мощности слоя пород, находящихся выше поверхности перехода.
По мнению Д. Кеннеди, эта гипотеза хорошо объясняет не только одинаковый тепловой поток в породах континентов и океанов, но и длительное существование материков, мощность коры которых постоянно увеличивается за счет уменьшения плотности всплывающих пород мантии.
Причину увеличения мощности коры Д. Кеннеди видит в том, что нижние горизонты коры материков, якобы, нагреваются и этим сдвигают к более высоким давлениям условия превращения плотных пород мантии в менее плотные породы коры, т. е. сдвигают книзу границу Мохоровичича.
По Д. Кеннеди, у границы Мохоровичича существуют совершенно различные условия. Под океанами превращение габбро в эклогит происходит на глубине 6—7 км при температуре около 150° С, под материками — на глубине 30 км при температуре 500° С, а под горными хребтами — на глубине 40 км и более при температуре 700° С и выше.
Эти интересные рассуждения Д. Кеннеди представляются обоснованными в части критики существующих гипотез о земной коре. Они вскрывают действительно слабые места науки о происхождении земной коры, континентов, горных хребтов и океанических впадин. Они правильно ставят вопросы, решение которых обязательно для гипотезы, претендующей на признание. Он более остро, чем обычно, подчеркивает проблему длительного существования материков, которые, по его расчетам, при существующих темпах эрозии массивов суши должны быть полностью эродированы за 20—25 млн. лет. Правда, и он недооценивает интенсивности эрозии. В действительности при современных темпах сноса, равных 12 км3 твердого вещества в год, материки должны быть смыты не за 20—25 млн. лет, а только за 10 млн. лет.
Однако возможность фазовых превращений твердых пород у границы Мохоровичича, т. е. у границы, залегающей на небольшой глубине, особенно под океанами, еще далеко не доказана. Так, в результате экспериментального изучения фазового состояния вещества горных пород при давлении до 35 кбар и при температурах до 1700° С, проведенного в Институте физики Земли в 1964 г., установлено отсутствие распадения пироксена на оливин и стиповерит в условиях, соответствующих глубинам от 10 до 100 км. Этим было доказано, что возникновение границы Мохоровичича не может быть объяснено таким процессом.
Отказ от признания различия химического состава земной коры и мантии, кроме того, находится в явном противоречии с действительностью. Изучение химического состава пород коры океанов и коры материков убедительно показало, что они имеют существенное различие в составе и физических свойствах.
Химический состав земной коры отличается и от среднего состава метеоритов и нет никаких оснований ожидать, что химический состав мантии может быть таким же, как состав земной коры.
На протяжении последних лет проблему образования земной коры со стороны ее вещественного состава разрабатывает А. П. Виноградов. Расчетами и экспериментально он обосновывает представление, по которому земная кора является продуктом выплавления и дегазации вещества мантии в процессах, аналогичных зонной плавке.
Метод зонной плавки был разработан Дж. Пфанном для очистки полупроводниковых материалов, преимущественно германия и кремния. Он состоит в том, что один конец стержня металла нагревают током высокой частоты или другим локальным нагревателем до расплавления, а затем передвигают нагреватель вдоль стержня или стержень сквозь нагреватель от нагретого конца к холодному. При этом расплавленная зона перемещается к холодному концу стержня и переносит туда все легкоплавкие составляющие. Наиболее тугоплавкие компоненты при этом перемещаются навстречу движения зоны и постепенно концентрируются в начальном конце стержня. При достаточном числе проходов расплавленной зоны вдоль стержня металл освобождается от легко- и тугоплавких примесей и может быть получен в чрезвычайно чистом виде.
Использование этого метода дало возможность А. П. Виноградову показать, что в результате многократного перемещения расплавленной зоны вдоль стержня из вещества силикатной фазы хондритов происходит через его разделение на две части. В качестве легкоплавкой компоненты образуется базальтовое стекло, а остаток становится весьма сходным с дунитами, которые, как известно, относятся к оливиновым породам, слагающим верхний слой мантии.
А. П. Виноградов считает, что процесс зонного выплавления легкоплавкой базальтовой магмы с выходом ее к поверхности Земли не только создает земную кору, но и «… ответствен за образование континентов, горных сооружений, опусканий и подъемов платформ, за образование геосинклиналей и океана — всех наиболее глубоких геологических превращений». Однако он не высказывает соображений о тех конкретных процессах, которыми «… дегазация и выплавление легкоплавкой, базальтической магмы» вызывают появление континентов и океанов и осуществляют «все наиболее глубокие геологические превращения». Он лишь считает, что влияние продуктов выплавления и дегазации вещества мантии должно быть совершенно различным в зависимости от того, «… подо что они выделяются. Если они выделяются под слои осадочных или других пород, то происходит их глубокое изменение — гранитизация. Если выделение происходит под слой океанической воды, то они разрушаются и растворяются, а если они поступают под атмосферу, то обогащают ее газами и другими веществами».
Эти соображения не дают объяснения того, как же происходит гранитизация, если легкоплавкая часть поступает под слои осадочных пород. Тем более от этого не становится ясным вопрос, откуда же эти осадочные породы взялись раньше, чем под них поступили продукты выплавления. Поэтому вопросы о происхождении земной коры, о происхождении материков и океанов, так же как и вопросы «геологических превращений», остаются и после цикла интересных работ А. П. Виноградова по-прежнему еще далеко неясными. Более ясным стало то, что из вещества, аналогичного веществу метеоритов, может образоваться и земная кора, и гидросфера, и атмосфера, но как и в результате каких процессов происходит разделение первоначального вещества земной коры на ее разновидности — кору суши и кору океана, — остается неясным.
На основании данных о содержании летучих компонентов в веществе мантии, а также в гидросфере и атмосфере А. П. Виноградовым определена степень выплавления и дегазации вещества мантии, которая произошла за время существования Земли, т. е. за 4,7— 5∙109 лет. Она оказалась менее 10%. Так, степень выделения азота ~5%; углерода ~2,5%, серы ~5∙10-3%, гелия —0,1%, аргона40 ~2∙10-2%. Наибольший процент дегазации для таких летучих компонентов, как Н2О и С12, составил около 7,5% от содержания их в веществе мантии. Такая доля ее массы по объему равна 63∙109 км3. Если считать, что дегазация произошла в слоях верхней мантии, то это будет соответствовать слою мощностью только 125 км.
Для ряда элементов наблюдается повышенное содержание в земной коре по сравнению с содержанием их в веществе метеоритов. Считая, что они вынесены из вещества мантии, А. П. Виноградов определил ее мощность, необходимую для выноса избыточного количества ряда элементов, чтобы их содержание в земной коре стало таким, какое наблюдается в действительности (табл. 4).
Как видно из табл. 4, необходимая расчетная мощность мантии различна и лежит в пределах от 100 до 3000 км. Возможно, что приведенные в табл. 4 расчеты будут со временем уточнены, но они убедительно свидетельствуют о том, что выделение большинства элементов происходило только из относительно небольшой части вещества, слагающего мантию Земли. Но для урана, тория, рубидия, калия и особенно бария мощность дегазированной мантии достигает весьма большой величины, достигающей одной трети и даже половины радиуса Земли.
Различную степень обогащения пород земной коры тем или иным элементом по сравнению с содержанием его в веществе мантии или, как это делает А. П. Виноградов, по сравнению с содержанием его в веществе метеоритов можно объяснить не только выносом их из слоев мантии, имеющих различную мощность, но и различием коэффициентов распределения. Коэффициент распределения разных соединений безусловно не одинаков и поэтому вынос их в земную кору с поднимающимся кверху расплавленным слоем должен быть различным. Чем меньше коэффициент распределения, т. е. чем меньше данное соединение выпадает в твердую фазу, тем больше оно выносится с расплавом при зонной плавке.
Поэтому различную степень обогащения земной коры элементами, вынесенными из недр Земли, более приемлемо объяснять различием коэффициентов распределения, чем различием мощности слоев мантии, из которых вынесен тот или иной компонент земной коры.
Рассматривая вопросы формирования земной коры в процессе зонного выплавления, А. П. Виноградов высказал предположение о том, что толщина земной коры, так же как и толщина коры любой другой планеты, определяется радиусом планеты. Конечно, радиус планеты как величина, определяющая объем планеты, определяет и количество тепла, выделяющегося в результате радиоактивного распада под единицей поверхности планеты. Количество тепла, в свою очередь, определяет мощность расплавленной зоны, поднимающейся из недр Земли кверху в процессе зонного выплавления. От этого, конечно, зависит толщина того верхнего слоя, который будет наиболее обогащен выносимыми в расплаве наиболее подвижными компонентами. Однако это справедливо только для случая, когда имеет место только один проход расплавленной зоны или когда и число проходов и толщина расплавленных зон были совершенно одинаковыми для сравниваемых планет.
Наибольшее влияние на толщину земной коры в случае образования ее в результате зонной плавки может иметь число проходов расплавленной зоны. Чем больше проходов, тем выше должны быть концентрация и степень выноса тех компонентов, которые накапливаются в земной коре (если она действительно образуется в результате зонного выплавления).
Поэтому нет оснований ожидать зависимости мощности земной коры только от радиуса планеты. В условиях Земли мощность коры колеблется в весьма широких пределах — от 5—7 до 25—40 км.
Особенно велика мощность земной коры под горными областями, где она достигает 70 и даже 80 км.
Мощность земной коры находится в строго закономерной связи только с ее наружным рельефом — чем выше участок суши, тем мощнее кора, и чем глубже океан, тем она тоньше. Эта закономерность не зависит от возраста коры, несмотря на интенсивную эрозию. Важно и то, что каждой разновидности и каждой мощности коры отвечает строго определенное слоистое строение — строение «слоеного пирога», каждый слой которого имеет свою мощность и свой химический и минеральный состав, формирование которого требовало мобилизации радиоактивных и других элементов из недр мантии глубиной в сотни и даже тысячи километров.
Поэтому гипотезами, заслуживающими внимания, могут считаться только те (из множества предложенных), которые могут объяснить: а) закономерную связь мощности и состава коры с рельефом поверхности суши и океанического дна; б) сохранение этой закономерной связи на протяжении существования материков, несмотря на денудацию; в) резкое отличие состава коры от состава мантии по содержанию радиоактивных и многих других элементов, которые сосредоточены главным образом в земной коре.
Процессы простой высокотемпературной дифференциации вещества мантии, так же как и процессы выделения воды, окиси кремния или «базальтической» магмы при зонной плавке, не могут считаться достаточными. Они не объясняют различия коры материков и коры океанов и, что еще более существенно, они не могут объяснить факты взаимного превращения коры одного типа в кору другого типа. Эти превращения, получившие наименование океанизации и континентизации, находят все большее подтверждение. Без объяснения процессов, в результате которых кора материков иногда превращается в кору океанического дна, нельзя понять многочисленные факты, например факты ненормально тонкой коры наблюдающиеся в Венгерском срединном массиве, в Мексиканском заливе, в Охотском, Черном, Каспийском морях и в некоторых районах Средней Азии, поскольку данные геологической истории и сравнительного анализа не позволяют сомневаться, что раньше в этих районах существовала нормальная, т. е. достаточно мощная, континентальная кора.
Кроме поверхности Мохоровичича в земной коре, верхней мантии и ниже обнаружены многочисленные сейсмические границы, волноводы, оболочки и слои с высокой электропроводностью. Все они отличаются, с одной стороны, тем, что на них скачком меняется скорость распространения сейсмических волн, и, с другой, — тем, что они образуют как бы концентрические сферы, разделяя земной шар на слои и оболочки с почти одинаковой мощностью.
Появление слоев повышенной проводимости — волноводов — определяется тем, что в них скорость распространения волн меньше, чем в выше- и нижележащих слоях пород. Поэтому волны не уходят вверх и вниз из такого слоя, а перемещаются в нем с полным внутренним отражением от кровли и почвы пласта. Чаще всего при появления волноводов видят в повышении температуры, что ведет к уменьшению плотности вещества. Уменьшение плотности пород объясняют также перестройкой минералогической или молекулярной структуры пород, слагающих волноводы. Однако поскольку волноводы обнаружены на самых различных глубинах как в земной коре, так и в мантии, трудно предположить какие-либо конкретные фазовые превращения твердых веществ, течение которых возможно в таких широких интервалах температур и давлений.
Как известно, нет единой точки зрения ни на причины появления, ни на природу слоистости земной коры и Земли в целом.
В качестве причин возникновения слоистости в земной коре рассматриваются такие процессы, как:
наслоение осадков и взвесей, выпадающих из воды на дне водоемов, особенно при наступании и отступании моря;
наслоение взвесей, выпадающих из атмосферы, в том числе выпадение пепловых осадков вулканического происхождения;
наслоение одних пород над другими в результате оползней, надвигов и т. п.
Правда, все больше появляется сторонников точки зрения, что сейсмические границы являются особыми границами, происхождение которых не зависит от состава, происхождения и возраста пород, в которых они проходят.
Так, Г. Д. Афанасьев, отмечая, что граница Мохоровичича проходит на определенной, характерной для данного рельефа местности, глубине, независимо от возраста пород, слагающих земную кору, предлагает пробурить глубокие скважины на Украинском кристаллическом массиве и Балтийском щите, где на глубине 6— 7 км обнаружены поверхности раздела сейсмических волн. Изучение-колонок этих скважин, по его мнению, «… позволит понять, каким образом круто поставленные складчатые образования метаморфических пород оказывается как бы стратифицированными в горизонтальной плоскости, образуя слои мощностью около 5 км с различной скоростью распространения сейсмических волн. Происходит ли здесь по вертикали смена петрографического состава этих «слоев» или лишь изменение их физических свойств, в частности плотности, в связи с увеличением все возрастающей нагрузки лежащих пород».
Ю. В. Ризниченко и И. П. Косминская считают, «… что глубинные сейсмические границы и соответственно слои являются следствием влияния как состава, так и состояния вещества в условиях режима давлений, температуры и перемещения вещества в недрах Земли. Они представляют некоторые фронты метаморфизма, свойственные определенным, довольно узким интервалам глубины, по крайней мере в стабильных платформенных условиях. Границы эти имеют существенно иную природу, чем привычные для геологов стратиграфические границы, или, с другой стороны, границы дизъюнктивного характера между разнотипными комплексами метаморфических и других горных пород или между магматическими массивами разного состава и времени образования… Сейсмические границы следует признать вторичными и наложенными на первичные геологические структурные особенности среды».
А. А. Борисов обращает внимание на то, что «Сейсмические границы, выделяемые внутри консолидированного (кристаллического) комплекса земной коры (граница Конрада и др.), характеризуются очень пологими морфологическими формами, примерно параллельными между собой и поверхностями фундамента и Мохоровичича. Это противоречит геологическим, гравиметрическим, магнитным и другим данным о том, что для складчатых, часто глубокометаморфизованных, комплексов консолидированной коры характерны резкие и сложные, преимущественно блоковые, структурные формы». Этот автор делает попытку вскрыть конкретные причины, которые, действуя во времени, приводят к тому, что повсеместно наблюдается определенная связь между морфологией поверхности Мохоровичича и рельефом земной поверхности. Он пишет: «По-видимому, морфология поверхности обусловлена взаимодействием двух противоположных факторов:
1) непосредственным направлением вертикальных движений данного сегмента литосферы, которое приводит к образованию примерно согласных форм во всех горизонтах коры и поверхности Мохоровичича, и
2) переработкой вещества земной коры и верхней мантии с соответствующим его перераспределением между ними, что сопровождается образованием обращенных форм.
В зависимости от преобладания того или другого фактора и определяются соотношения морфологических форм в разных горизонтах литосферы».
Конечно, эти два противоположных фактора, особенно второй, еще весьма общи и не конкретны. В результате каких процессов и под влиянием каких причин происходит «переработка» вещества земной коры и верхней мантии, А. А. Борисов сказать не может, но и обоснование необходимости такой «переработки» побуждает исследователей к исканиям в новых направлениях.
На весьма важную и специфическую особенность поверхности Мохоровичича — ее динамичность — обратил особое внимание В. В. Тихомиров. Анализируя проблему происхождения гранитов, он приводит большое число примеров, подтверждающих точку зрения многих геологов о том, что осадочные породы под воздействием различных метаморфизирующих факторов превращаются в массивно-кристаллические образования типа гранитов. С другой стороны, все большее признание получает точка зрения о процессах, получивших название «базификации», или океанизации, в результате которых вещество материковой коры превращается в вещество коры океанов. Принимая это во внимание, В. В. Тихомиров пишет: «Можно полагать, что по мере погружения сиалической глыбы нижние порции ее превращаются в перидотитовую породу и присоединяются к подстилающим образованиям, тогда как поверхность Мохоровичича как бы перескакивает на более высокий стратиграфический уровень, находясь в то же время на одной и той же абсолютной глубине. Образно выражаясь, породы погружающегося участка земной коры при опускании ниже изогипсы, соответствующей в данном пункте планеты горизонту поверхности Мохоровичича, превращаются из «сиаля» в «симу» и, отделяясь от верхней оболочки, причленяются к перидотитовому субстрату».
Поверхность Мохоровичича, являясь особой поверхностью, в то же время входит в число многих других сейсмических границ, обнаруживаемых как в земной коре, так и в мантии и в ядре.
—Источник—
Григорьев, С.М. Роль воды в образовании земной коры/ С.М. Григорьев.- М.: Недра, 1971.- 264 с.
Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава
