Литосфера Земли.

Литосферой называется внешняя твердая относительно прочная оболочка Земли.

Общая характеристика литосферы. — Границы литосферы. — Строение литосферы. — Изостазия. — Химический состав литосферы.

Общая характеристика литосферы.

Термин «литосфера» был предложен в 1916 году Дж. Барреллом и вплоть до 60-х гг. двадцатого столетия выступал синонимом земной коры. Затем было доказано, что в состав литосферы входят также и верхние слои мантии мощностью до нескольких десятков километров.

В строении литосферы выделяются подвижные области (складчатые пояса) и относительно стабильные платформы.

Мощность литосферы варьируется от 5 до 200 км. Под континентами толщина литосферы меняется от 25 км под молодыми горами, вулканическими дугами и континентальными рифтовыми зонами до 200 и более километров под щитами древних платформ. Под океанами литосфера более тонкая и достигает минимальной отметки в 5 км под срединно-океаническими хребтами, на периферии океана, постепенно утолщаясь, доходит до 100-километровой толщины. Наибольшей мощности литосфера достигает в наименее прогретых областях, наименьшей – в наиболее жарких.

По реакции на длительно действующие нагрузки в литосфере принято выделять верхний упругий и нижний пластичный слой. Также на разных уровнях в тектонически активных областях литосферы прослеживаются горизонты относительно пониженной вязкости, для которых характерны пониженные скорости сейсмических волн. Геологи не исключают возможности проскальзывания по этим горизонтам одних слоёв относительно других. Это явление получило название расслоенности литосферы.

Наиболее крупными элементами литосферы являются литосферные плиты с размерами в поперечнике 1–10 тыс. км. В настоящее время литосфера разделена на семь главных и несколько малых плит. Границы между плитами проводятся вдоль зон наибольшей сейсмической и вулканической активности.

Границы литосферы.

Верхняя часть литосферы граничит с атмосферой и гидросферой. Атмосфера, гидросфера и верхний слой литосферы находятся в прочной взаимосвязи и частично проникают друг в друга.

Нижняя граница литосферы располагается над астеносферой – слоем пониженной твёрдости, прочности и вязкости в верхней мантии Земли. Граница между литосферой и астеносферой нерезкая – переход литосферы в астеносферу характеризуется уменьшением вязкости, изменением скорости сейсмических волн и увеличением электропроводности. Все эти изменения происходят вследствие повышения температуры и частичного плавления вещества. Отсюда и основные методы определения нижней границы литосферы – сейсмологический и магнитотеллурический.

Строение литосферы.

В настоящее время в строении литосферы принято выделять земную кору (смотрите Земная кора в цифрах) и жесткую верхнюю часть мантии. Слои литосферы отделены друг от друга границей Мохоровича. Рассмотрим подробнее части, на которые разделена литосфера.

Земная кора. Строение и состав.

Земная кора – часть литосферы, самая верхняя из твердых оболочек Земли. На долю земной коры приходится 1% от общей массы Земли (см. Физические характеристики Земли в цифрах).

Строение земной коры различается на континентах и под океанами, а также в переходных областях.

Материковая земная кора имеет толщину 35-45 км, в горных областях до 80 км. Например, под Гималаями — свыше 75 км, под Западно-Сибирской низиной – 35-40 км, под Русской платформой – 30-35.

Материковая земная кора делится на слои:

— Осадочный слой – слой, покрывающий верхнюю часть континентальной земной коры. Состоит из осадочных и вулканических горных пород. Местами (преимущественно на щитах древних платформ) осадочный слой отсутствует.

— Гранитный слой – условное название для слоя, где скорость распространения продольных сейсмических волн не превышает 6,4 км/сек. Состоит из гранитов и гнейсов — метаморфических горных пород, главными минералами которых являются плагиоклаз, кварц и калиевый полевой шпат.

— Базальтовый слой — условное название для слоя, где скорость распространения продольных сейсмических волн находится в диапазоне 6,4 — 7,6 км/сек. Сложен базальтами, габбро (магматическая интрузивная горная порода основного состава) и очень сильно метаморфизованными осадочными породами.

Слои материковой земной коры могут быть смяты, разорваны и смещены по линии разрыва. Гранитный и базальтовый слои часто разделены поверхностью Конрада, которая характеризуется резким скачком скорости сейсмических волн.

Океаническая земная кора имеет толщину 5-10 км. Наименьшая толщина характерна для центральных районов океанов.

Океаническая земная кора делится на 3 слоя:

— Слой морских осадков – толщина менее 1 км. Местами отсутствует вовсе.

— Средний слой или «второй» — слой со скоростью распространения продольных сейсмических волн от 4 до 6 км/сек – толщина от 1 до 2,5 км. Состоит из серпентина и базальта, возможно, с примесью осадочных пород.

— Самый нижний слой или «океанический» – скорость распространения продольных сейсмических волн находится в диапазоне 6,4-7,0 км/сек. Сложен из габбро.

Выделяют также переходный тип земной коры. Он характерен для островно-дуговых зон на окраинах океанов, а также для некоторых участков материков, например, в районе Черного моря.

Земная поверхность в основном представлена равнинами континентов и океанического дна. Континенты окружены шельфом — мелководной полосой глубиной до 200 г и средней шириной около 80 км, которая после резкого обрывчатого изгиба дна переходит в континентальный склон (уклон изменяется от 15-17 до 20-30°). Склоны постепенно выравниваются и переходят в абиссальные равнины (глубины 3,7-6,0 км). Наибольшие глубины (9-11 км) имеют океанические желоба, расположенные в основном в северной и западной частях Тихого океана.

Граница (поверхность) Мохоровичича

Нижняя граница земной коры проходит по границе (поверхности) Мохоровичича – зоне, в которой происходит резкий скачок скоростей сейсмических волн. Продольных с 6,7-7,6 км/сек до 7,9-8,2 км/сек., а поперечных – с 3,6-4,2 км/сек до 4,4-4,7 км/сек.

Для этой же области характерно резкое увеличение плотности вещества – с 2,9-3 до 3,1-3,5 т/м³. То есть на границе Мохоровичича менее упругий материал земной коры заменяется более упругим веществом верхней мантии.

Наличие поверхности Мохоровичича установлено для всего Земного шара на глубине 5-70 км. По всей видимости, данная граница разделяет слои с разным химическим составом.

Поверхность Мохоровичича повторяет рельеф земной поверхности, являясь его зеркальным отражением. Под океанами она выше, под континентами – ниже.

Поверхность (граница) Мохоровичича (сокращенно Мохо) открыта в 1909 году хорватским геофизиком и сейсмологом Андреем Мохоровичичем и названа в его честь.

Верхняя мантия

Верхняя мантия – нижняя часть литосферы, находящаяся под земной корой. Другое название верхней мантии – субстрат.

Скорость распространения продольных сейсмических волн около 8 км/сек.

Нижняя граница верхней мантии проходит на глубине 900 км (при делении мантии на верхнюю и нижнюю) или на глубине 400 км (при делении ее на верхнюю, среднюю и нижнюю).

Относительно состава верхней мантии однозначного ответа нет. Одни исследователи на основании изучения ксенолитов полагают, что верхняя мантия имеет оливин-пироксеновый состав. Другие считают, что вещество верхней мантии представлено гранатовыми перидотитами с примесью в верхней части эклогита.

Верхняя мантия не однородна по составу и строению. В ней наблюдаются зоны пониженных скоростей сейсмических волн, также наблюдаются различия в строении под разными тектоническими зонами.

Изостазия.

Явление изостазии было обнаружено при изучении силы тяжести у подножия горных массивов. Ранее считалось, что такие массивные сооружения, как, например, Гималаи, должны увеличивать силу притяжения Земли. Однако исследования, проведенные в середине 19 века, опровергли эту теорию – сила тяжести на поверхности всей земной поверхности остается одинаковой.

Было установлено, что крупные неровности рельефа компенсируются, уравновешиваются чем-то на глубине. Чем мощнее участок земной коры, тем глубже он погружен в вещество верхней мантии.

На основании сделанных открытий, ученые пришли к выводу, что земная кора стремится к уравновешенности за счет мантии. Это явления получило название изостазии.

Изостазия иногда может нарушиться из-за действия тектонических сил, но со временем земная кора все равно возвращается к равновесию.

На основе гравиметрических исследований было доказано, что большая часть земной поверхности находится в состоянии равновесия. Изучением явления изостазии на территории бывшего СССР занимался М.Е.Артемьев.

Наглядно проследить явление изостазии можно на примере ледников. Под тяжестью мощных ледниковых покровов четырех- и более километровой толщины земная кора под Антарктидой и Гренландией «просела», опустившись ниже уровня океана. В Скандинавии же и в Канаде, сравнительно недавно освободившихся от ледников, наблюдается поднятие земной коры.

Химический состав литосферы.

Химические соединения, из которых состоят элементы земной коры, называются минералами. Из минералов образованы горные породы.

Основные виды горных пород:

— магматические;

— осадочные;

— метаморфические.

В составе литосферы преобладают в основном магматические горные породы. На их долю приходится около 95% всего вещества литосферы.

Состав литосферы на континентах и под океанами существенно различается.

Литосфера на континентах состоит из трех слоев:

— осадочные породы;

— гранитные породы;

— базальтовые.

Литосфера под океанами двухслойная:

— осадочные породы;

— базальтовые породы.

Химический состав литосферы представлен в основном всего восемью элементами. Это кислород, кремний, водород, алюминий, железо, магний, кальций и натрий. На долю этих элементов приходится около 99,5% вещества земной коры.

Таблица 1. Химический состав земной коры на глубинах 10 — 20 км.