Что такое земная кора?

Кора Земли — самая внешняя твердая оболочка планеты, удивительно тонкий слой, который находится над мантией. Это, безусловно, самая холодная и самая жесткая часть Земли, варьирующаяся по толщине от всего 5 километров под океанами до более 70 километров под самыми высокими горными хребтами. Хотя она составляет менее 1% от общего объема Земли, кора — это место, где обитает каждый живой организм, каждое месторождение минералов и каждая структура человека. Понимание ее структуры и состава имеет основополагающее значение для геологии, разведки ресурсов и оценки естественной опасности.

Кора не является однородным слоем. Она разбивается на тектонические плиты, которые медленно движутся и взаимодействуют, приводя в движение землетрясения, вулканизм и горное строительство. Граница между корой и подстилающей мантией известна как разрывность Мохоровичича (Мохо), сейсмическая зона перехода скорости, которая знаменует изменение плотности и состава пород. Кора вместе с самой верхней жесткой мантией образует литосферу, которая колеблется от около 100 км до 200 км толщиной и является основой тектоники плит.

Структура земной коры

Кора Земли классифицируется на два основных типа: континентальная кора и океаническая кора.Эти две разновидности значительно различаются по толщине, плотности, возрасту и составу, и каждая играет особую роль в геологических процессах.

Континентальная кора

Континентальная кора — толстая кора низкой плотности, образующая континенты и континентальные шельфы. Средняя толщина её составляет около 35 км, но может достигать 70 км в регионах активного горного строительства, таких как Гималаи. Континентальная кора состоит в основном из гранитных пород, богатых кремнеземом (SiO2) и алюминием. Её плотность в среднем составляет около 2,7 г/см3, что легче, чем океаническая кора, что позволяет континентам «плавать» выше на мантии. Континентальная кора также является самой старой корой на Земле, некоторые породы которой насчитывают более 4 млрд лет. Она содержит большинство известных минеральных ресурсов планеты, включая железо, медь, золото и редкоземельные элементы.

Поскольку континентальная кора плавучая и толстая, она редко субдукционируется обратно в мантию. Вместо этого она подвергается повторяющимся циклам деформации, метаморфизма и эрозии, сохраняя долгую и сложную геологическую историю. Изучение континентальной коры дает представление о ранней эволюции Земли, сборке суперконтинентов и развитии жизнеобеспечивающих сред.

Океаническая кора

Океаническая кора - более тонкая, более плотная кора, которая образует океанские дна. Она составляет в среднем от 5 до 10 километров в толщину и состоит в основном из базальтовых пород , которые богаче железом и магнием, чем континентальные граниты. Плотность океанической коры составляет около 3,0 г/см3. В отличие от древних континентов, океаническая кора геологически молода - большинству менее 200 миллионов лет, потому что она непрерывно создается в срединно-океанических хребтах и разрушается в зонах субдукции.

В срединно-океанических хребтах магма поднимается из мантии, охлаждается и образует новую базальтовую кору в процессе, называемом распространением морского дна. Самая молодая кора встречается вдоль этих хребтов, и она становится все старше и холоднее по мере удаления. По мере старения она накапливает осадки и подвергается гидротермальной перестройке. В зонах субдукции океаническая кора возвращается в мантию, загоняя вулканические дуги и перерабатывая элементы обратно в недра Земли. Этот динамический цикл является краеугольным камнем тектоники плит и долгосрочной геохимической системы Земли.

Прекращение Мохоровичича (Moho)

Мохо — сейсмически определённая граница между корой и мантией. Оно было обнаружено Андрией Мохоровичичем в 1909 году, когда он заметил, что сейсмические волны от землетрясений резко ускоряются на глубине, которая колебалась от примерно 5 км под океанами до 70 км под континентами. Мохо представляет собой изменение типа породы от корковых пород (гранит, базальт) до ультрамафичных мантийных пород (перидотит). Хотя Мохо является критической точкой отсчёта, это не физический слой разного материала, а скорее композиционная граница. Понимание его глубины и природы помогает геологам моделировать толщину коры и тектонические процессы.

Состав земной коры

Земная кора состоит из относительно небольшого количества элементов, которые объединяются, образуя тысячи различных минералов.По массе наиболее распространенными элементами являются:

  • Кислород (O) ~46,6% — наиболее распространенный элемент, образующий оксидные и силикатные минералы.
  • Силикон (Si) ~27,7% — костяк силикатных минералов.
  • Алюминий (Al) ~8,1% — особенно сосредоточен в глине и полевых шпатах.
  • Железный (Fe) ~5,0% — доминанта в мафиозных и ультрамафичных породах.
  • Кальций (Ca) ~3,6% — ключевой элемент карбонатных минералов и полевого шпата плагиоклазы.
  • Натрий (Na) ~ 2,8% — содержится в полевом шпате и испарительных минералах.
  • Калий (K) ~ 2,6% — важный в ортоклазных полевом шпате и глиняных минералах.
  • Магний (Mg) ~2,1% — высокий уровень в темных минералах, таких как оливин и пироксен.
  • Другие элементы (Ti, H, P, Mn и т.д.) составляют оставшиеся ~ 1,5%.

Эти элементы объединяются в две основные минеральные группы: силикатные минералы и несиликатные минералы.Силикаты доминируют в коре, составляя более 90% её массы.

Силикатные минералы

Силикатные минералы строятся вокруг тетраэдра кремния-кислорода (SiO44−). Они делятся на подгруппы, исходя из того, как эти тетраэдры связываются друг с другом. К наиболее распространенным силикатам в коре относятся:

  • Кварц (SiO2) — твердый, прочный минерал, устойчивый к выветриванию и основной компонент песка и гранита.
  • Фельдспар — самая распространенная минеральная группа в коре, включая ортоклазу (K-фельдспар) и плагиоклазу (Na/Ca-фельдспар). Фельдспары имеют решающее значение в магматических и метаморфических породах.
  • Mica — листовые силикаты, такие как биотит (темный) и мусковит (лёгкий), которые позволяют камням расщепляться на тонкие хлопья.
  • Пироксины и амфиболы — силикаты цепи, распространённые в базальте и андезите.
  • Оливин — зеленый силикат с высоким содержанием магния, найденный в мантии и некоторых вулканических породах.
  • Менеральные глины — гидроусилители, образующиеся при выветривании первичных силикатов, необходимых для плодородия почвы.

Не силикатные минералы

Хотя не силикатные минералы менее распространены, они экономически и геологически значимы. Основные группы включают:

  • Карбонаты (FLT:0) Карбонаты (FLT:1) – такие как кальцит (CaCO3) и доломит (CaMg(CO3)2), которые образуют известняки и являются ключевыми в углеродном цикле.
  • Оксиды — гематит (Fe2O3), магнетит (Fe3O4) и корунд (Al2O3) являются источниками железа и алюминия.
  • Сульфиды — пирит (FeS2), гален (PbS) и сфалерит (ZnS) являются важными рудными минералами для металлов.
  • Сульфаты — гипс (CaSO4·2H2O) и ангидрит (CaSO4) образуются в отложениях испарения.
  • Галиды — галит (NaCl) и флюорит (CaF2) распространены в осадочных бассейнах.
  • Родные элементы — золото, серебро, медь и алмаз встречаются в нативной форме при определённых условиях.

Типы горных пород The Crust

Минералы объединяются, чтобы сформировать три основных типа пород: магматический, осадочный и метаморфический.Кора представляет собой мозаику этих пород, каждая из которых рассказывает часть истории Земли.

  • Игнезисные породы образуются из охлажденной магмы или лавы.Гранит (континентальный) и базальт (океанический) являются наиболее распространенными магматическими породами.Назойливые магматические породы, такие как гранит, медленно кристаллизуются под поверхностью, в то время как экструзивные породы, такие как базальт, быстро охлаждаются на поверхности.
  • Седиментарные породы образуются в результате уплотнения и цементации осадков. Песчаник, известняк и сланец покрывают около 75% континентальной поверхности. Они сохраняют окаменелости и регистрируют прошлые среды.
  • Метаморфные породы создаются, когда существующие породы изменяются под воздействием тепла или давления.Гнейс, свист, мрамор и кварцит являются общими метаморфическими породами, часто встречающимися в горных поясах и древних кратонах.

Процессы, влияющие на кору Земли

Кора не статична, она непрерывно изменяется под воздействием внутренних и внешних сил. Эти процессы действуют в течение временных рамок от секунд (землетрясения) до миллионов лет (горное строительство). Их можно сгруппировать в тектонические, эрозионные и осадочные процессы, плюс менее заметные, но не менее важные процессы метаморфизма и изостаза.

Тектоническая активность

Тектоника плит — двигатель, приводящий в движение большинство изменений в коре. Литосфера делится примерно на дюжину крупных пластин, которые движутся относительно друг друга со скоростью несколько сантиметров в год. Взаимодействие на границах плит дает три основных результата:

  • Землетрясения — Большинство землетрясений происходят вдоль разломов на границах плит из-за внезапного выброса эластичного деформирования. Самые крупные землетрясения происходят в зонах субдукции, таких как землетрясение Тохоку 2011 года (магнитуда 9,1), которое вызвало разрушительное цунами. Понимание стресса коры и поведения разломов имеет решающее значение для оценки сейсмической опасности.
  • Вулканические извержения — Магма, генерируемая в мантии или нижней коре, поднимается на поверхность в расходящихся границах (среднеокеанские хребты) и конвергентных границах (вулканические дуги).Щитные вулканы, такие как Мауна-Лоа и стратовулканы, такие как гора Сент-Хеленс, являются выражениями этого процесса.Вулканическая активность также выделяет газы, которые повлияли на атмосферу Земли и климат в течение геологического времени.
  • Горное строительство (Orogeny) — При столкновении континентальных плит кора утолщается и деформируется в горные хребты. Гималаи, Альпы и Аппалачи являются классическими орогенами. Изостатическая компенсация заставляет кору погружаться в мантию, в то время как эрозия балансирует поднятие, поддерживая динамическое равновесие.

Изостас: Блуждание коры

Изостаз — это принцип, согласно которому кора плавает на более плотной мантии в гравитационном равновесии. Более толстая, менее плотная континентальная кора поднимается выше (формирующиеся горы и плато), в то время как более тонкая, более плотная океаническая кора сидит ниже (формирующие океанические бассейны). Когда вес добавляется (например, ледяными щитами или осадочными нагрузками), кора тонет; когда вес удаляется (плавление ледников, эрозия), кора медленно отскакивает. Этот процесс отвечает за постледниковый подъем в таких местах, как Скандинавия и Канада, где земля продолжает расти через тысячи лет после отступления льда.

Эрозия и выветривание

Эрозия - это удаление и транспортировка поверхностных материалов ветром, водой, льдом и гравитацией. Вместе с выветриванием (разрушением пород на месте), она формирует ландшафты и обеспечивает отложения для новых пород. Ключевые процессы включают:

  • Механическое выветривание — заморозка, тепловое расширение и истирание физически разбивают камни на более мелкие кусочки.
  • Химическое выветривание — гидролиз, окисление и растворение изменяют минералы, особенно в теплом и влажном климате. Например, полевой шпат выветривается в глинистые минералы и растворённый кремнезем.
  • Плювиальная эрозия — реки вырубают долины и переносят отложения в дельты и океанские бассейны.Река Колорадо вырезала Гранд-Каньон на протяжении миллионов лет.
  • Ледниковая эрозия — ледники соскребают и выщипывают коренную породу, создавая U-образные долины, фьорды и морены.
  • Эрозия ветра — в засушливых регионах ветер сдувает рыхлый осадок и абрады скальных граней.
  • Прибрежная эрозия — волны и течения подрезают скалы и строят пляжи.

Скорость эрозии зависит от климата, типа породы, растительного покрова и тектонической активности.Подъём и эрозия часто работают в тандеме: по мере подъема гор эрозия их изнашивает, создавая петлю обратной связи, которая влияет на толщину и высоту коры.

Осадок

Осадок - это осаждение эродированного материала в слоях, которые со временем уплотняются и цементируются в осадочные породы. Большинство осадков происходит в бассейнах - депрессиях на поверхности Земли, которые накапливают осадок. Эти бассейны могут быть на континентах (например, дельта реки Миссисипи) или на дне океана (например, абиссальные равнины).

  • Морская осадка — кластические отложения (песок, грязь) и химические осадки (карбонат кальция, испарители) строят толстые последовательности на континентальных шельфах и склонах.
  • Континентальная осадка — аллювиальные вентиляторы, речные поймы, озера и пустыни ловят осадок, который записывает наземную среду.
  • Сохранение окаменелостей — быстрое захоронение в осадочных породах создаёт идеальные условия для сохранения органических остатков, которые становятся окаменелостями на протяжении миллионов лет.Нефть и природный газ также образуются из закопанных органических веществ в осадочных бассейнах.

Осадочные породы содержат ценную информацию о климате прошлого, уровне моря и формах жизни, а также содержат многие минеральные и энергетические ресурсы мира.

Метаморфизм и переработка кристаллов

Под жарой и давлением глубокого захоронения или тектонического столкновения существующие породы без плавления превращаются в метаморфические породы. Этот процесс перекристаллизует минералы и может изменять текстуру и состав пород. Региональный метаморфизм происходит на больших площадях в орогенных поясах, а контактный метаморфизм происходит вблизи магматических вторжений. Метаморфизм играет ключевую роль в стабилизации континентальной коры и концентрации элементов в рудных отложениях. В конечном итоге некоторая кора перерабатывается обратно в мантию в зонах субдукции, закрывая тектонический цикл.

Значение земной коры

Кора - это нечто большее, чем пассивная оболочка; это сцена для всей жизни и человеческой цивилизации. Ее значение охватывает несколько областей:

  • Управление природными ресурсами — Кора поставляет почти все материалы, используемые обществом, включая металлы, строительные агрегаты, промышленные минералы и ископаемое топливо. Устойчивая практика добычи имеет важное значение, поскольку спрос на критически важные минералы (литий, кобальт, редкоземельные металлы) растет для технологий зеленой энергии. Понимание геологии коры помогает находить новые месторождения и прогнозировать воздействие на окружающую среду.
  • Смягчение опасности — Землетрясения, извержения вулканов и оползни — явления земной коры, угрожающие жизни и инфраструктуре. Изучая структуру коры, системы разломов и магматические камеры, учёные могут улучшить прогнозирование и оценку риска. Системы раннего предупреждения полагаются на мониторинг деформации и сейсмичности земной коры в режиме реального времени.
  • Регулирование климата — Кора участвует в долгосрочном углеродном цикле. Выветривание силикатных пород потребляет атмосферный CO2, в то время как вулканическое извержение выделяет его. В течение миллионов лет этот баланс помогает регулировать температуру Земли. Деятельность человека — такая как добыча полезных ископаемых, сжигание и производство цемента — теперь изменяет этот цикл беспрецедентными темпами.
  • Экосистемный фонд — Почва, образующаяся из выветрившихся пород земной коры, поддерживает наземные экосистемы.Состав коренной породы влияет на плодородие почвы, химию воды и даже на распределение видов растений. Океаническая кора обеспечивает субстраты для бентических сообществ и гидротермальных вентиляционных экосистем.
  • Научные знания — Кора архивирует историю Земли от её формирования 4,5 миллиарда лет назад до настоящего времени. Датируя породы и изучая их структуры, геологи реконструируют прошлые движения плит, изменения климата и биологическую эволюцию. Эти знания необходимы для понимания планетарной динамики и для изучения других скалистых тел в Солнечной системе.

В целом, земная кора представляет собой динамичную, тонкую и слоистую оболочку, которая содержит самые доступные ресурсы планеты и записывает ее геологическое прошлое. От гранитных глубин континентов до базальтового морского дна, от неустанной измельчения эрозии до внезапного землетрясения, кора является интерфейсом, где происходит большинство активных процессов Земли. Изучая ее структуру и состав в глубину, мы получаем мощное понимание того, как наша планета работает, как мы можем устойчиво использовать ее ресурсы и как мы можем подготовиться к ее природным опасностям. Для дальнейшего чтения обратитесь к ресурсам из Геологическая служба США , Раздел геологии природы и Энциклопедия Британника запись на земной коре . Изучение коры остается основополагающим столпом науки о Земле, постоянно развивается, поскольку новые технологии позволяют нам видеть глубже и более четко в твердую Землю под нашими ногами.