Внутреннее строение Земли и распределение масс¶

Внутреннее строение Земли — совокупность концентрических оболочек (геосфер), слагающих недра планеты Земля, выделяемых на основании сейсмологических, гравиметрических, петрологических и геохимических данных. Модель строения описывает распределение химического состава, плотности, давления и температуры по радиусу планеты, что определяет динамику тектонических процессов и генерацию магнитного поля.

¶Методы изучения

Основным источником данных о глубоких недрах служит сейсмология. Анализ распространения продольных (P) и поперечных (S) волн от землетрясений позволяет выявить границы раздела сред с разной плотностью и упругостью. Скорости волн скачкообразно меняются на границе Мохоровичича (раздел кора—мантия), на границе Гутенберга (ядро—мантия) и на границе внутреннего и внешнего ядра (граница Леманн). Дополнительную информацию дают измерения гравитационного поля, моментов инерции планеты, данные о собственных колебаниях Земли, а также петрологические исследования ксенолитов — обломков глубинных пород, вынесенных на поверхность при вулканических извержениях.

¶Строение оболочек

¶Земная кора

Внешняя каменная оболочка мощностью от 5–10 км под океанами до 30–70 км под континентами. Различают континентальную кору (гранитно-метаморфический слой, богатый кремнезёмом и алюминием) и океаническую кору (базальтовый слой, обогащённый магнием и железом). Плотность коры составляет 2,7–3,0 г/см³. Нижняя граница — раздел Мохоровичича.

¶Мантия

Простирается от подошвы коры до глубины 2900 км. Делится на верхнюю мантию (до 410 км), переходную зону (410–660 км) и нижнюю мантию (660–2900 км). Верхняя часть мантии вместе с корой образует литосферу — жёсткую плиту, подстилаемую астеносферой — слоем пониженной вязкости, по которому происходит перемещение литосферных плит. Мантия сложена силикатными породами (перидотитами), при давлении в нижней мантии минералы переходят в плотные фазы (перовскит, ферропериклаз). Плотность мантии растёт с глубиной от 3,3 до 5,5 г/см³.

¶Ядро

Центральная геосфера радиусом около 3500 км. Внешнее ядро (2900–5150 км) находится в жидком состоянии, состоит преимущественно из железа с примесью никеля, серы, кислорода и водорода. Конвективные течения в жидком проводящем ядре генерируют магнитное поле Земли. Внутреннее ядро (5150–6371 км) — твёрдое железо-никелевое тело с примесью лёгких элементов, температура которого достигает 5000–6000 °C, близка к температуре поверхности Солнца. Несмотря на высокую температуру, вещество остаётся твёрдым из-за колоссального давления (свыше 360 ГПа).

¶Распределение масс и плотности

Средняя плотность Земли составляет 5,52 г/см³, что значительно превышает плотность поверхностных пород. Это указывает на наличие плотного ядра. Распределение масс по радиальной модели (например, PREM — Preliminary Reference Earth Model) описывается следующими параметрами:

Таким образом, на ядро приходится около трети массы планеты при объёме всего 16 %. Мантия содержит две трети массы, а кора — менее половины процента. Гравитационное притяжение массы ядра и мантии формирует силу тяжести на поверхности, а неравномерное распределение плотностей в мантии (плюмы, зоны субдукции) вызывает геоидные аномалии и вертикальные движения земной коры.

¶Динамика и тепловой режим

Распределение масс тесно связано с тепловой конвекцией. Тепло, выделяемое при радиоактивном распаде изотопов урана, тория и калия, а также остаточное тепло аккреции, переносится конвективными потоками в мантии. Холодные литосферные плиты погружаются в мантию в зонах субдукции, а горячие мантийные плюмы поднимаются к поверхности, формируя вулканические провинции. Этот процесс, называемый тектоникой плит, обеспечивает перераспределение масс и обновление земной коры. В ядре тепловая и композиционная конвекция (всплывание лёгких элементов при кристаллизации внутреннего ядра) поддерживает геодинамо, создающее магнитосферу.

¶Значение модели

Понимание внутреннего строения и распределения масс необходимо для объяснения происхождения магнитного поля, механизмов землетрясений и вулканизма, формирования месторождений полезных ископаемых, а также для построения моделей эволюции Земли и планет земной группы. Сейсмическая томография позволяет визуализировать трёхмерные неоднородности мантии, уточняя динамику глубинных процессов.

¶Источники

• Джеффрис Г. Земля, её происхождение, история и строение. — М.: ИЛ, 1960.
• Жарков В. Н. Внутреннее строение Земли и планет. — М.: Наука, 1983.
• Сорохтин О. Г., Ушаков С. А. Развитие Земли. — М.: Изд-во МГУ, 2002.
• Dziewonski A. M., Anderson D. L. Preliminary reference Earth model // Physics of the Earth and Planetary Interiors. — 1981. — Vol. 25.