Биосфероведение - Валерий Степанович Миловатский
Чтобы уметь читать по лицу Земли, распознать тайны живого и биосферы надо проникнуть в недра Земли, в самые глубокие её слои, узнать их строение и понять, что и как там происходит. Проникнуть туда человечество пока ещё не способно (самая глубокая исследовательская скважина, пробуренная в России на Кольском полуострове, составляет чуть более 12 км). И всё же учёные умудряются изучать глубины Земли – и имеют представление о её внутреннем устройстве. Для этого они используют косвенные методы исследования: сейсмографию, гравитометрию, палеомагнитную съёмку, изучение древнейших пород, наблюдения из космоса и другие. Для этого работают геофизики, палеонтологи, вулканологи, сейсмологи, планетологи и другие учёные. Ими установлено, что внутри Земля многослойна.
Начнём знакомство внутреннего строения Земли с самого загадочного – с её центра. O нём почти ничего не известно, кроме того, что вещество там находится в твёрдом (вероятно, в особом кристаллическом) состоянии и состоит, скорее всего, из металлов. Высокая температура (там около 5000 °C) и громадное давление в 3 000 000 атм (3000 т на 1 см2) не позволяют металлу перейти в жидкое состояние. Здесь самая высокая скорость распространения сейсмических волн – 6000 км/сек. Эта часть Земли называется внутренним ядром.
Вокруг внутреннего ядра расположено внешнее ядро. Сейсмические волны, проходя границу между внутренним и внешним ядром, резко уменьшают свою скорость до 4000 км/сек. Внешнее ядро «толще» внутреннего. Верхняя его граница проходит на глубине около 3000 км от поверхности Земли. Она находится приблизительно на середине земного радиуса. Массивное и плотное, в сравнении с вышележащими породами, оно состоит главным образом из железа и никеля. Есть данные, что в нём много серы и кремния. Внешнее ядро жидкое: металлы в нём расплавлены, а кремний находится в металлизированном состоянии. Под большим давлением породы электронные оболочки у атомов кремния смещены и электроны движутся свободно, как в металлах. Благодаря массе свободных электронов в слоях внешнего ядра циркулируют мощные вихревые электротоки, которые и генерируют магнитное поле Земли. Есть и другая модель внешнего ядра, по которой оно состоит лишь из железа и никеля. Магнитное поле в ней образуется сходным образом.
Выше внешнего ядра наблюдается ещё один скачок скорости сейсмических волн – до 2000 км/сек. Здесь расположена мантия. Она представляет собой слой такой толщины, как и оба слоя ядра (внешнее и внутреннее) вместе. Но вещество её гораздо легче вещества ядра и плотность заметно ниже. В породах этого вещества, называемом перидотит, преобладают соединения неметаллических элементов и лёгких металлов: кремниевые, магниевые, алюминиевые окислы и другие соединения. В мантии различают тоже два слоя примерно равной толщины: нижнюю мантию (начинается на глубине около 1000 км) и верхнюю, которая находится почти сразу же под земной корой. Вещество обеих мантий пребывает в твёрдом состоянии, но отличается плотностью: в нижней мантии оно плотнее, так как содержит больше тяжёлых элементов. Между мантией и ядром идёт обмен веществом и теплом. Вещество мантии, подплавляясь, поступает в ядро: тяжёлые элементы вовлекаются в вещество ядра, а лёгкие «всплывают» и по «протокам» в нижней мантии поднимаются к верхней.
Наконец, самая верхняя и самая тонкая оболочка Земли называется корой. От верхней мантии кору отделяет поверхность Мохоровичича, открытая в 1909 году югославским геологом Мохоровичичем, заметившим на глубине 100 км скачок в скорости распространения сейсмических волн от 7 км/сек до 8 км/сек (речь идёт о продольных волнах). Кору вместе с поверхностью Мохоровичича ещё называют литосферой. Кроме твёрдой прослойки Мохоровичича кору от мантии отделяет ещё полурасплавленный «пастообразный» слой астеносферы, толщиной около 200 км, который залегает на глубине 90-120 км (это его верхняя граница) и, как слой смазки, «смягчает» соприкосновение коры с твёрдой верхней мантией. С астеносферой связаны магматические и другие динамические процессы в земной коре.
Земная кора, очень неоднородная по своему строению и составу, резко отличается в своей материковой части от океанической. На материке кора примерно в 10 раз толще, чем в океане: средняя её толщина на материке – 50 км (30–70 км), в океане – 6 км (5–8 км). На материке кора состоит, как двухслойный пирог, из лёгких пород (гранитов) – в верхнем слое, и более тяжёлых пород (базальтов) – в нижнем слое. В океане тоненькая земная корочка целиком состоит из базальта.
Но на этом отличие материковой коры от океанической не заканчивается. В то время, как материковая кора в верхней своей части слагается из множества слоёв разнородных осадочных пород, по которым, как по книге можно прочитывать прошлое Земли и биосферы, океаническая кора по своей структуре и составу однородна. Материковую кору можно назвать летописью биосферы. Вернадский назвал её «былыми биосферами». Именно по этим слоям осадочных пород на материках палеонтологи узнают, как одна страница биосферы сменялась другой, как шла эволюция жизни на Земле, какие организмы населяли Землю миллионы лет назад. Именно исследования слоёв земной коры на материках позволили составить геохронологическую шкалу, восстановить геологическое прошлое Земли. Наука, изучающая закономерности и строение этих слоёв, называется стратиграфией.
Как мы уже говорили, в базальтовой толще океанической коры таких слоёв нет. Здесь свои закономерности. Тонкая плёнка океанической коры – это как бы зона растяжения земной коры. Все океаны имеют срединную линию разлома коры, называемую «рифтом». Рифт представляет собой донный срединный хребет, проходящий через весь океан. Порой высота его доходит до 3-х километров, на вершине имеется желоб, протянувшийся по всей длине хребта. В желобе образовались трещины, через которые из недр земли выходят магматические массы, раздвигающие его края в стороны со скоростью 2–8 сантиметров в год. Этот процесс, называемый «спредингом» (растяжением), неуклонно идёт уже многие миллионы лет. Благодаря ему дно океана растягивается и становится всё больше и больше. Так растут океаны.
Всё дно океанов состоит из полос таких «растяжек». Палеомагнитные исследования «растяжек» позволили выявить динамику формирования океанического дна. Эти и другие исследования привели учёных к представлению, что в карбоне был лишь один материк Пангея, который в триасе раскололся на северную Лавразию и южную Гондвану. Дальнейшие разломы земной коры привели к формированию современных материков.
Данные палеомагнетизма, палеонтологии и другие позволили построить концепцию тектоники литосферных плит. Эта концепция «дрейфующих материков» утверждает, что вся земная кора состоит из литосферных плит. Семь крупнейших из них (Евразийская, Африканская, Австралийская, Северо-Американская, Южно-Американская, Антарктическая, Тихоокеанская) несут на себе «надстройки» – материки. Африканская плита несёт Африканский материк, Евразийская – Евразию и т. д. Лишь Тихоокеанская – без материка.
Согласно этой концепции, литосферные плиты благодаря конвективным движениям подкорковой магмы («конвективного конвейера») находятся в постоянной мобильности: либо раздвигаются, либо сдвигаются – сталкиваются, наползают друг на друга, подминают друг друга. В результате этих движений плит и
