Введение во внутренние органы Земли

Внутреннее пространство Земли — это гораздо больше, чем статическая масса скал; это динамичный, слоистый двигатель, который управляет геологическими явлениями, формирующими поверхность нашей планеты. От возвышающихся горных хребтов мы поднимаемся к глубоким океанским траншеям, которые мы исследуем, каждая особенность зависит от процессов, происходящих глубоко под нашими ногами. Понимание структуры и состава внутреннего пространства Земли имеет основополагающее значение для понимания ключевых геологических концепций, таких как тектоника плит, извержения вулканов, землетрясения и формирование ценных минеральных ресурсов. Это всеобъемлющее руководство углубляется в каждый основной слой Земли — кору, мантию и ядро — исследует передовые методы, используемые учеными для изучения этих скрытых сфер, и подчеркивает глубокое значение этих знаний для геологии и общества в целом.

Методы изучения внутренних частей Земли

Поскольку прямое наблюдение глубин Земли невозможно с помощью современных технологий, ученые полагаются на набор косвенных методов, чтобы разгадать ее тайны. Наиболее мощным и широко используемым инструментом является анализ сейсмических волн, генерируемых землетрясениями и искусственными источниками. Поскольку эти волны распространяются по Земле, их скорости и пути меняются в ответ на плотность, состав и физическое состояние материалов, которые они пересекают. Изучая, как ведут себя P-волны (первичные компрессионные волны) и S-волны (вторичные волны сдвига) - особенно отмечая, что S-волны не могут проходить через жидкости - геофизики могут отображать различные слои и выводить их свойства.

Дополняющими сейсмическими исследованиями являются лабораторные эксперименты высокого давления и высокой температуры, которые имитируют условия внутри Земли, помогая идентифицировать минеральные фазы и их поведение. Изучение ксенолитов, которые являются фрагментами мантийной породы, транспортируемой на поверхность вулканическими извержениями, обеспечивает прямые образцы внутреннего состава Земли. Кроме того, измерения гравитационных и магнитных полей Земли дают подсказки о внутренних изменениях плотности и движениях жидкости, соответственно. Хотя проекты глубокого бурения, такие как Кола Суперглубокая скважина предоставили бесценные данные, они проникли только в самую верхнюю часть коры, подчеркивая важность косвенных методов исследования.

Спутниковая геодезия и геофизические методы визуализации, такие как гравитационное картирование, магнитотеллурика и сейсмическая томография, еще больше расширяют наше понимание, создавая трехмерные модели интерьера Земли. Эти модели показывают сложные структуры, такие как мантийные плюмы, субдукционные плиты и большие низкосдвигающиеся области скоростей (LLSVP) вблизи границы ядра-мантии.

Обзор слоев Земли

Земля организована в несколько концентрических слоев, каждый с различными физическими и химическими характеристиками, которые коллективно управляют динамическим поведением планеты. Эти слои, как правило, сгруппированы в три основных подразделения: кора , мантия и ядро . Резкие изменения скорости сейсмических волн отмечают границы между этими слоями — в частности, разрыв Мохоровичича (Мохо), разделяющий кору и мантию, и разрыв Гутенберга между мантией и ядром. Дальнейшие подразделения в мантии и ядре отражают изменения в минеральных фазах, температуре и механических свойствах.

  • Кора — тонкая, твёрдая внешняя оболочка толщиной от 5 до 70 километров.
  • Мантия (FLT:0) — обширный полутвердый слой, простирающийся примерно на 2900 километров в глубину.
  • Основная — плотная, самая внутренняя металлическая область от примерно 2900 километров до центра Земли на высоте 6 371 километр.

Понимание свойств и взаимодействий этих слоев имеет важное значение для интерпретации тепловой эволюции Земли, генерации магнитного поля, тектонической активности и геологии поверхности.

Кора

Кора является самым внешним слоем Земли, состоящим в основном из твердой породы. Хотя она составляет менее 1% от общего объема Земли, именно она поддерживает всю земную жизнь и человеческую цивилизацию. Кора значительно варьируется по толщине, составу и возрасту и подразделяется на два основных типа: континентальную кору и океаническую кору.

Континентальная кора

Континентальная кора толще, в среднем 30–50 километров в толщину, и менее плотная со средней плотностью приблизительно 2,7 грамма на кубический сантиметр. Она в основном состоит из гранитных пород, богатых кремнеземом (SiO2) и алюминием, известными в совокупности как ил. Эта кора, как правило, старше океанической коры, а некоторые регионы, известные как кратоны — стабильные внутренние части континентов — датируются более чем 3 миллиардами лет. Ее более низкая плотность позволяет ей «плавать» выше на нижней мантии, образуя континенты. Континентальная кора геологически неоднородна, содержит разнообразную совокупность пород, образованных посредством таких процессов, как столкновения плит, вулканические дуги, осаждение и метаморфизм.

Примеры континентальной коры включают обширные щитовые области, такие как Канадский щит и Балтийский щит, которые обнажают некоторые из самых старых скал Земли. Толщина и плавучесть континентальной коры также влияют на события горообразования (орогении) и формирование осадочных бассейнов.

Океаническая кора

Напротив, океаническая кора тоньше, обычно толщиной 5-10 километров и плотнее, со средней плотностью около 3,0 грамма на кубический сантиметр. Она преимущественно состоит из базальтовых пород, богатых железом и магнием, которые в совокупности называются сима. Океаническая кора образуется непрерывно в середине океанических хребтов через вулканическую активность и перерабатывается обратно в мантию в зонах субдукции, что приводит к относительно молодому возрасту - обычно менее 200 миллионов лет.

Океаническая кора более композиционно однородна по сравнению с континентальной корой и состоит из различных слоев, в том числе осадочного покрова, базальтов подушек, образованных быстрым подводным охлаждением лавы, крытых щитовыми комплексами и лежащих в их основе габброзных пород, которые в совокупности образуют океаническую литосферу, играющую критическую роль в распространении морского дна и тектонике плит.

Прекращение Мохоровичича (Moho)

Граница между корой и мантией известна как разрыв Мохоровичича, или Мохо, названная в честь хорватского сейсмолога Андрия Мохоровичича, открывшего её в 1909 году.Мохо характеризуется резким увеличением скоростей сейсмических волн, отражающих переход от менее плотных пород земной коры к более плотным, богатым магнием ультрамафиозным породам мантии, в первую очередь перидотит.Под океанскими бассейнами Мохо обычно лежит на глубинах от 5 до 10 километров, тогда как под континентами он колеблется от 30 до 50 километров глубины.

Мантия

Мантия — самый толстый слой Земли, составляющий примерно 84% её объёма. Она простирается от основания коры на Мохо до глубины примерно 2900 километров, где встречается с ядром. Состоящая в основном из богатых железом и магнием силикатных минералов, таких как оливин и пироксен, мантия твёрдая, но ведёт себя как высоковязкий флюид в геологических временных масштабах. Этот пластичный поток лежит в основе конвективных процессов, ответственных за тектонику плит и вулканическую активность.

Верхняя мантия и астеносфера

Верхняя мантия простирается от Мохо до глубины около 660 километров и подразделяется на жёсткую литосферу и подстилающую, частично расплавленную астеносферу. Литосфера, включающая кору и верхнюю мантию, ведёт себя как хрупкая, жёсткая оболочка. Ниже неё астеносфера представляет собой зону относительно низких скоростей сейсмических волн и пониженной механической прочности, обычно толщиной от 100 до 200 километров.Частичное плавление в этом слое облегчает движение литосферных плит над ней.

Конвекционные течения в астеносфере — вызванные теплообменом из более глубоких слоев мантии — приводят к движению тектонических плит, питая континентальный дрейф, распространение морского дна и субдукцию. Эти процессы приводят к образованию и разрушению океанских бассейнов и горных хребтов. Физические свойства астеносферы и ее взаимодействие с литосферой имеют решающее значение для понимания динамики поверхности Земли. Для доступного объяснения конвекции мантии см. ресурс National Geographic по мантии .

Переходная зона

Между 410 и 660 километрами глубины лежит переходная зона мантии, характеризующаяся изменениями минеральной фазы из-за повышения давления. Оливин превращается в более плотные полиморфы, такие как вадслейит и рингвудит, которые влияют на скорости сейсмических волн и узоры конвекции мантии. Эта зона действует как граница, которая может временно препятствовать или изменять поток мантийных материалов между верхней и нижней мантией.

Нижняя мантия

Нижняя мантия простирается примерно от 660 километров до границы ядра-мантии на 2900 км. Здесь давление достигает до 1,3 миллиона атмосферного давления, а температура может подняться до 3 700 ° C. В этих экстремальных условиях минералы мантии принимают более плотные кристаллические структуры, такие как перовскит и постперовскит. Несмотря на интенсивное тепло, нижняя мантия остается твердой из-за огромного давления. Эта область сложна и менее доступна для прямого наблюдения, но сейсмическая томография показывает, что она содержит химически и термически различные области, включая загадочные Большие низкосдвигающиеся области с высокой скоростью (LLSVPs), которые могут влиять на генерацию мантийного шлейфа и глубокую динамику Земли.

Ядро

Ядро — самая внутренняя область Земли, в основном состоящая из железа и никеля, с меньшим количеством более легких элементов, таких как сера, кислород, кремний, углерод и водород.Хотя оно составляет всего около 15 % от объема Земли, на его долю приходится около 30 % массы из-за высокой плотности.Ядро подразделяется на жидкое внешнее ядро и твердое внутреннее ядро, каждое из которых играет жизненно важную роль в генерации магнитного поля Земли и тепловой эволюции.

Внешний ядро

Внешнее ядро простирается от примерно 2900 километров до 5150 километров в глубину. Это жидкий слой, состоящий преимущественно из расплавленного железа и никеля, о чем свидетельствует отсутствие распространения S-волн через эту зону. Конвективное движение этой электропроводящей жидкости генерирует магнитное поле Земли через механизм геодинамо. Взаимодействие вращения Земли, конвективных токов и проводящей жидкости поддерживает самовозбуждающее динамо, производя магнитное поле, которое защищает планету от солнечного ветра и космического излучения. Для углубленного объяснения этого процесса см. объяснение Европейского космического агентства динамо ядра .

Внутреннее ядро

Внутреннее ядро представляет собой сплошную сферу радиусом около 1220 километров, расположенную в центре Земли. Несмотря на температуры, превышающие 5 400 °C — сравнимые с поверхностью Солнца — внутреннее ядро остается твердым из-за огромного давления, превышающего 3,6 миллиона атмосфер. Сейсмические исследования показывают, что внутреннее ядро является анизотропным, то есть сейсмические волны движутся быстрее в направлении, параллельном оси вращения Земли. Эта анизотропия, как полагают, связана с предпочтительным выравниванием кристаллов железа. Внутреннее ядро медленно растет с течением геологического времени, когда внешнее ядро охлаждается и затвердевает, выпуская скрытые тепловые и световые элементы, которые приводят к конвекции во внешнем ядре, поддерживая геодинамо.

Состав внутренних частей Земли

Химический состав внутренних слоев Земли отражает раннюю дифференциацию планеты во время ее формирования. Более тяжелые элементы, такие как железо и никель, опустились к центру, чтобы сформировать ядро, в то время как более легкие силикатные минералы составляли мантию и кору. Распределение элементов влияет на физические свойства, минералогию и геодинамическое поведение.

Состав коры

В континентальной коре преобладают кремнезем (SiO2) и алюминий, со значительным количеством калия, натрия, кальция и других микроэлементов. К основным породообразующим минералам относятся кварц, полевой шпат, слюда и амфибол. Это минеральное разнообразие отражает сложную геологическую историю формирования континентальной коры с участием магматизма, метаморфизма и осадочных процессов.

Океаническая кора, напротив, богаче железом и магнием, с доминирующими минералами, такими как пироксен, плагиоклаза полевого шпата и оливина, его состав относительно однороден во всем мире, отражая его последовательный процесс образования в срединно-океанических хребтах.

Мантийная композиция

Мантия состоит преимущественно из ультрамафичных пород, классифицируемых как перидотит.Ключевые минералы включают оливин, ортопироксен, клинопироксицен и гранат (на больших глубинах). Композиция мантии относительно однородна в больших масштабах, но демонстрирует изменения в микроэлементах и изотопных соотношениях, которые обеспечивают понимание конвекции мантии, переработки материалов коры и областей источника мантии для магматизма.

Основная композиция

Ядро состоит примерно из 85% железа, 5% никеля и около 10% более легких элементов, таких как сера, кислород, кремний, углерод и водород. Эти легкие элементы снижают температуру плавления железо-никелевого сплава, объясняя, почему внешнее ядро остается жидким, несмотря на высокие температуры. Точные пропорции этих элементов все еще подлежат постоянным исследованиям, поскольку они влияют на плотность и сейсмические свойства ядра.

Термическая структура и тепловой поток

Внутреннее тепло Земли происходит из двух первичных источников: первобытное тепло , оставшееся от формирования и дифференциации планеты, и радиогенное тепло , производимое распадом радиоактивных изотопов, таких как уран, торий и калий в коре и мантии. Температура увеличивается с глубиной, варьируя от приблизительно 1000 °C в основании коры до более чем 5 400 °C вблизи границы между внешним и внутренним ядром.

Это тепло течет наружу через проводимость и конвекцию, приводя в движение конвекцию мантии, которая питает тектонику плит и вулканическую активность. Эффект геодинамо, генерирующий магнитное поле Земли, также зависит от тепловой конвекции во внешнем ядре. Понимание теплового потока Земли имеет важное значение для использования геотермальной энергии, моделирования динамики мантии и прогнозирования вулканических горячих точек.

  • Первобытная теплота:Остаточное тепло от планетарной аккреции и формирования ядра.
  • Радиогенная жара: Тепло, генерируемое радиоактивным распадом внутри Земли.
  • Механизмы переноса тепла: Проведение вблизи поверхности и конвекция в мантии и внешнем ядре.

Геологическое значение внутренних частей Земли

Внутренняя структура и динамические процессы Земли глубоко влияют на геологию поверхности, природные опасности и распределение ресурсов.Изучая внутреннюю часть, геологи могут лучше понимать и прогнозировать тектонические движения, извержения вулканов, землетрясения и находить экономически важные месторождения полезных ископаемых.

Тектоника плит

Тектоника плит является основополагающей теорией, объясняющей движение литосферных плит Земли. Конвекция мантии приводит к тому, что эти плиты сходятся, расходятся и скользят друг мимо друга. Эти взаимодействия приводят к орогению (горное строительство), образованию океанских бассейнов, рифтовых долин и сейсмической активности. Свойства внутренней части Земли, такие как вязкость мантии и градиенты температуры, непосредственно контролируют стиль и скорость движений плит. Для доступного обзора тектоники плит посетите динамическое руководство Земли USGS .

Вулканическая активность

Вулканизм — поверхностное выражение мантийной динамики. Частичное таяние мантийных пород происходит при декомпрессии на среднеокеанических хребтах или мантийных плюмах (горячих точках), а также за счёт введения воды в зоны субдукции. Химический состав извергаемых лав даёт критическую информацию о составе и глубине плавления источника мантии. Изучение термического и композиционного состояния мантии помогает оценить вулканические опасности и предсказать стили извержения.

Землетрясения

Землетрясения являются результатом внезапного высвобождения накопленной энергии упругого напряжения вдоль разломов в хрупкой литосфере. Анализ распределения землетрясений и фокусных глубин дает представление о механическом поведении коры и верхней мантии. Примечательно, что землетрясения с глубоким фокусом происходят на глубинах примерно 700 километров в субдукционных плитах, подвергающихся минеральным фазовым преобразованиям. Понимание внутренней структуры Земли усиливает моделирование сейсмической опасности и усилия по прогнозированию землетрясений.

Минеральное образование и распределение ресурсов

Формирование многих экономически важных месторождений полезных ископаемых тесно связано с процессами, происходящими во внутренних районах Земли. Подъём мантии и магматическая дифференциация могут концентрировать ценные элементы, такие как никель, медь, металлы платиновой группы и алмазы. Зоны субдукции облегчают образование порфировых медных месторождений и эпитермальных золотых систем посредством циркуляции жидкости и метаморфизма. Знание внутреннего состава Земли и тепловой структуры направляет исследование этих ресурсов и информирует об устойчивых методах добычи.