Возбужденные в очаге землетрясений колебания различной частоты — сейсмические волны, возникая при разрушении земных пород, пронизывают все тело Земли и несут, таким образом, ценнейшую информацию. С помощью в основном этой информации и возникли современные представления о внутреннем строении Земли. Абсолютно единого мнения о глубинном строении Земли до настоящего времени еще нет, однако главные контуры ее намечены, и в этом расхождений почти не наблюдается.
Наибольшее распространение получила модель К. Е. Буллена (рис. 1, табл. 1).
Рис. 1. Схема глубинного строения Земли
Из рисунка и таблицы видно, что Земля имеет слоистое строение. Детальное исследование этих слоев в последние два десятилетия показало наличие в них еще и горизонтальных неоднородностей.
Слой земной коры по своей глубине занимает совсем небольшую часть всего тела Земли. Чтобы представить толщину коры, обычно прибегают к различным образным сравнениям. Приведем одно из наиболее распространенных. Если земной шар уменьшить до размеров крупного яблока, то толщина его кожуры будет соответствовать толщине земной коры. Конечно, это сравнение не следует использовать для каких-либо расчетов! Пример показывает лишь, насколько тонок тот слой, на котором протекают все земные процессы и на котором так бурно развилась жизнь.
Разные слои Земли имеют различную температуру. Всюду, за исключением коры, она, как правило, довольно высока, во всяком случае близка к точке плавления или превышает ее для большинства веществ на земной поверхности. Но испытывая колоссальное давление, вещество это находится в основном (кроме отдельных областей или сфер внутри Земли) в твердом состоянии. Явно выраженной сферой со свойствами жидкого тела считается слой Земли, расположенный ниже мантии и равный по толщине примерно двум третям радиуса земного ядра его внешней части. При этом не следует понимать, что вещество ядра можно сравнить с каким-либо веществом, находящимся в жидком виде на поверхности Земли. Испытывая огромное давление при очень высокой температуре, оно находится в особом состоянии, которому нет сравнения на земной поверхности. Его «жидкое» состояние рассматривается только в смысле отсутствия у него качеств, обязательных для твердого тела (например, сопротивление сдвигу). К сожалению, человечество пока не может добыть хотя бы «кусочек» мантии, тем более ядра Земли, чтобы точно установить их свойства и состояние.
Границы слоев, или сфер, Земли установлены сейсмологами на основе расшифровки записей сейсмических волн, возникающих, как уже говорилось, при землетрясениях и проходящих через Землю. Очень резкая разница в свойствах вещества разных слоев даже заставила разделить их условно границами. Как видно из табл. 1, таких границ установлено по крайней мере две: Гутенберга и Мохоровичича. Первая названа по имени американского ученого Гутенберга, установившего эту границу в 1914 г. по отраженным от земного ядра волнам, вторая — по имени югославского геофизика Мохоровичича, открывшего ее в 1909 г. при изучении сейсмических записей землетрясений в Хорватии (Югославия). Первая разделяет земное ядро и мантию и находится на глубине около 2900 км от земной поверхности, вторая отделяет верхнюю мантию от коры и находится на глубине 4—60 км. Кроме того, значительными различиями между собой обладают внутреннее и внешнее ядро, а также нижняя и верхняя мантии, хотя они и не получили именной разделительной границы. В соответствии с предложенной схемой (см. рис. 1) они разделяются так называемыми переходными зонами. Толщина переходной зоны между внутренним и внешним ядром оценивается примерно в 140–150 км, а между нижней и верхней мантиями — в 600 км. Наибольшее количество вещества всего объема и массы Земли приходится на верхнюю и нижнюю мантии.
Движения частей суши
В последнее десятилетие широкое распространение получила давно высказанная идея дрейфа материков. Рост наших знаний по геологии поверхности Земли действительно позволяет с большей долей уверенности, чем раньше, высказать предположение о том, что некогда материки примыкали друг к другу, но впоследствии разошлись. Согласно этой гипотезе около 300 млн. лет назад поверхность Земли представлялась двумя сверхматериками — Гондваной и Лавразией — и одним, разделяющим их океаном, — Тетисом.
По описанию Д. и М. Тарлингов, эта картина выглядела следующим образом: «…в конце каменноугольного и начале пермского геологических периодов возвышенные участки суши всего земного шара были сгруппированы в два местами смыкающихся сверхматерика разных размеров, причем материки в том виде, как мы их знаем теперь, были уже различными их частями. Такое расположение, с очень небольшими изменениями, сохранялось последующие 150 млн. лет; поэтому удобно считать 300 млн. лет назад началом истории разделения материков, имея в виду, что это всего лишь 1/15 часть продолжительности существования Земли.
Гондвана, включающая Южную Америку, Африку, Индию, Австралию и Антарктиду, располагалась так, что ее южная часть была покрыта полярной ледяной шапкой, в то время как северные области находились в тропических широтах. Северная Америка, — Европа и Азия составляли Лавразию, пересекавшуюся в то время экватором (рис. 2).
Рис. 2. Расположение материков на земном шаре в далеком прошлом (предположительно)
1 — раскрывшиеся разломы, которые затем образовали Индийский и Атлантический океаны; 2 — разломы, которые возникли, но еще не раскрылись; 3 — впадины, окаймляющие материки; 4 — мелкие моря на континентах
Вокруг этого огромного массива суши располагались длинные прогибы, в которых накапливались осадки и обломки материковых пород. Эти прогибы в дальнейшем превратились в современные Альпийско-Гималайский и Тихоокеанский горные пояса, но в то время и в течение большей части их последующей истории они были местами наибольшей геологической активности…
Лавразию и Гондвану разделял океан Тетис. Он сужался по направлению к западу так, что эти сверхматерики соединялись: Северо-Западная Африка примыкала к Северной Америке и Южной Европе…».
В первоначальном виде эта гипотеза была сформулирована в 1915–1925 гг. А. Вегенером. Она предполагала только дрейф материковых глыб по подкоровым слоям и по коре океанов. Сейчас теория больших горизонтальных перемещений глыб земной коры (так называемая тектоника плит, или глобальная тектоника), понимается иначе, а именно как представление о перемещении огромных плит, включающих не только материки, но и припаянные к ним обширные площади коры океанов. В одних зонах, где формируются складки, надвиги и происходят наиболее сильные землетрясения, эти плиты надвигаются друг на друга, как торосы при сжатии ледяного покрова в Ледовитом океане. В других поясах на осевых линиях срединных океанических хребтов плиты разрываются, расходятся и в промежутке между ними формируется новая океаническая кора.
У земных недр своя жизнь
Условия, в которых находится вещество Земли, и его состояние предрасполагают к большим и малым физико-химическим, механическим, радиоактивным и другим глубинным процессам, носящим название тектонических.
Все такие процессы происходят с выделением либо поглощением энергии и с ее перераспределением. В результате названных тектонических процессов вещество Земли подвергается медленной деформации. При этом в разных областях внутри Земли, в том числе и в ее коре, скапливается различное количество энергии, что приводит к большим напряжениям.