Внутреннее строение Земли. Земная кора. Мантия. Ядро

Три столетия назад английский ученый Исаак Ньютон в своих исследованиях планет и гравитационного взаимодействия рассчитал, что средняя плотность Земли вдвое превышает плотность ее поверхностных пород и, следовательно, внутренняя часть Земли должна состоять из гораздо более плотного материала. Наши знания о том, что представляет из себя внутреннее строение Земли значительно улучшились со времен Ньютона, но его оценка плотности остается практически неизменной. О том, что находится в глубине Земли, мы имеем представление, составленное по результатам сейсмической разведки.

Скорость прохождения сейсмических волн меняется в зависимости от плотности вещества, через которое они проходят. По изменению скорости учёные определили, что внутреннее строение Земли неоднородно и представляет собой несколько вложенных друг в друга оболочек, окружающих ядро. Другие важные данные о недрах Земли берутся из геологических наблюдений за поверхностными породами, изучения движения Земли в Солнечной системе, ее гравитации и магнитных полей.

Планета Земля состоит из трех основных оболочек: очень тонкая, хрупкая кора, мантия и ядро. Хотя ядро ​​и мантия примерно одинаковы по толщине, ядро ​​фактически составляет всего 15 процентов объема Земли, тогда как мантия занимает 84 процента. Кора составляет оставшийся 1 процент. Наши знания о строении и химическом составе Земли постоянно совершенствуются учеными, которые проводят лабораторные эксперименты на камнях под высоким давлением и анализируют записи о землетрясениях на компьютерах.

Земная кора

Поскольку земная кора доступна для нас, ее геология была тщательно изучена, и поэтому известно гораздо больше информации о ее структуре и составе, чем о структуре и составе мантии и ядра. Внутри коры сложные структуры создаются, когда породы перераспределяются и осаждаются слоями в результате геологических процессов извержения и проникновения лавы, эрозии и уплотнения частиц породы, а также затвердевания и перекристаллизации пористой породы.

Толщина коры относительно невелика и колеблется от 4-10 км под океанами до 30-70 км под материками

Благодаря крупномасштабному процессу тектоники плит, около двенадцати плит, состоящие из континентов и океанических бассейнов, перемещались по поверхности Земли на протяжении большей части геологического времени. На краях плит происходят землетрясения и находятся вулканы. Столкновения плит могут породить горы, такие как Гималаи — самый высокий хребет в мире. Тектонические плиты включают в себя кору и часть верхней мантии. Они очень медленно движутся по горячей зоне верхней мантии, со скоростью несколько сантиметров в год, медленнее, чем скорость, с которой растут ногти.

Граница между земной корой и мантией называется разрывом Мохоровичича (или Мохо); он назван в честь человека, который его открыл, хорватского ученого Андрия Мохоровичича. Никто никогда не видел эту границу, но ее можно обнаружить по резкому увеличению скорости прохождения сейсмических волн.

Мантия

Наши знания о верхней мантии, включая тектонические плиты, получены из анализа прохождения сейсмических волн; тепловых, магнитных, гравитационных исследований, лабораторных экспериментах на камнях и минералах. Между 100 и 200 километрами ниже поверхности Земли температура породы близка к точке плавления. В этой области мантии берет свое начало извергаемая некоторыми вулканами расплавленная порода. Этот слой назван астеносферой. Эта зона чрезвычайно пластичного вещества имеет немного меньшую скорость прохождения сейсмоволн и считается слоем, на котором движутся тектонические плиты. Ниже этой низкоскоростной зоны находится переходная зона в верхней мантии; она содержит два разрыва, вызванные переходом от менее плотных к более плотным минералам. Химический состав и кристаллические формы этих минералов были определены лабораторными экспериментами при высоком давлении и температуре.

Нижняя мантия, ниже переходной зоны, состоит из относительно простых минералов силикатов железа и магния, которые постепенно меняются с глубиной до очень плотных форм. При переходе от мантии к ядру происходит заметное снижение (около 30 процентов) скорости волны сейсмоволн и значительное увеличение (около 30 процентов) плотности.

Ядро

Ядро Земли — очень горячий, очень плотный центр нашей планеты. Шарообразное ядро ​​лежит под прохладной, хрупкой коркой и, в основном, твердой оболочкой. Ядро находится примерно на 2900 километров ниже поверхности Земли и имеет радиус около 3485 километров.

Ядро было первым внутренним структурным элементом, который был идентифицирован. Он был открыт в 1906 году ирландским геологом Р.Д.Олдхэмом в процессе его работы по изучению сейсмограмм землетрясения в Гватемале. Это открытие помогло  объяснить ньютоновские расчеты плотности Земли.

Сама планета Земля старше своего ядра. Когда Земля образовалась около 4,5 миллиардов лет назад, это был однородный шар из горячих камней. Радиоактивный распад и остаточное тепло при образовании планеты (столкновение космических тел, аккреция и сжатие космических пород) заставили шар стать еще горячее. В конце концов, примерно через 500 миллионов лет температура на нашей молодой планете поднялась до температуры плавления железа — около 1538 °С. Этот поворотный момент в истории Земли называют железной катастрофой .

Железная катастрофа вызвала более быстрое движение расплавленных пород Земли. Относительно легкие материалы, такие как силикаты, вода, воздух остались близко к внешней стороне планеты. Эти материалы сформировали раннюю мантию и земную кору. Железо, никель и другие тяжелые металлы под действием гравитационных сил притянулись к центру Земли, став основой раннего ядра. Этот важный процесс называется планетарной дифференциацией.

Прирост температуры горных пород в °С на определённом участке земной толщи описывается физической величиной, называемой геотермическим градиентом. Математически он выражается изменением температуры, приходящимся на единицу глубины. Обычно величина геотермического градиента колеблется от 0,5-1 до 20 °С и в среднем составляет около 3 °С на 100 метров. Ядро Земли является топкой геотермического градиента. 

Важную роль в исследовании геотермического градиента сыграла Кольская сверхглубокая скважина. При её закладке расчёты велись в соответствии с тем, что градиент составит 10 °C на километр. Рассчитывали пробурить 15 км. Соответственно, это означало, что ожидаемая температура на расчетной глубине будет порядка +150 °C. Однако, градиент 10 °C/км был только до трёх километров, а дальше градиент стал увеличиваться таким образом, что на глубине 7 км температура составляла 120 °C, на 10 км — 180 °C, на 12 км — 220 °C. И получалось, что на проектной глубине в 15 км температура должна быть равной +280 °C.

Основными источниками тепла в ядре являются распад радиоактивных элементов, остаточное тепло от планетарного образования и тепло, выделяемое по мере затвердевания жидкого внешнего ядра вблизи его границы с внутренним ядром

В отличие от минерально — обогащенной коры и мантии, ядро ​​почти полностью состоит из металла, а именно из железа и никеля. Сокращение, используемое для железо-никелевого сплава сердечника — это просто химические символы элементов — NiFe .

Элементы, растворяющиеся в железе, называются сидерофилами. Они также находятся в ядре. Поскольку эти элементы встречаются в земной коре гораздо реже, многие сидерофилы классифицируются как «драгоценные металлы». К сидерофильным элементам относятся золото, платина, кобальт, иридий, осмий, рений, палладий, родий, рутений, молибден, никель.

Другим ключевым элементом в ядре Земли является сера — фактически 90% серы на Земле находится в ядре. Подтвержденное открытие такого огромного количества серы помогло объяснить геологическую загадку: если ядро ​​было в основном NiFe, почему оно не тяжелее, чем сейчас? Геологи предполагали, что в ядре могли присутствовать более легкие элементы, такие как кислород или кремний. Но обилие серы, другой относительно легкий элемент, объясняет загадку.

Хотя мы знаем, что ядро ​​является самой горячей частью нашей планеты, его точную температуру определить очень сложно. Температура в ядре зависят от давления, вращения Земли и переменчивого состава элементов ядра. Как правило, температура колеблется от примерно 4400 °C до примерно 6000 °C.

Ядро состоит из двух слоев: внешнего ядра, которое граничит с мантией, и внутреннего ядра. Граница, разделяющая эти области, называется разрывом Буллена.

Внешнее ядро

Внешнее ядро, толщиной около 2200 км, в основном состоит из жидкого железа и никеля. Сплав NiFe внешнего ядра очень горячий, между 4500 и 5500 °С.

Жидкий металл внешнего ядра имеет очень низкую вязкость, что означает, что он легко деформируется и податлив. Это место бурной конвекции.

Внутреннее ядро

Внутреннее ядро ​​представляет собой горячий, плотный шар в основном из железа. Он имеет радиус около 1220 километров. Температура во внутреннем ядре составляет около 5200 °С. Давление составляет почти 3,6 миллиона атмосфер.

Температура внутреннего ядра значительно выше температуры плавления железа. Однако, в отличие от внешнего ядра, внутреннее ядро ​​не является жидким или даже расплавленным. Сильное давление на внутреннее ядро всей остальной части планеты и ее атмосферы предотвращает плавление железа. Давление и плотность просто слишком велики, чтобы атомы железа могли перейти в жидкое состояние. Из-за этого необычного стечения обстоятельств некоторые геофизики предпочитают интерпретировать внутреннее ядро не как твердое тело, а как плазму, которая ведет себя как твердое тело.

Жидкое внешнее ядро ​​отделяет внутреннее ядро ​​от остальной части Земли, и в результате внутреннее ядро ​​вращается немного иначе, чем остальная часть планеты. Оно вращается на восток, как поверхность, но немного быстрее, делая одно дополнительное вращение примерно каждые 1000 лет.

Ученые-геологи считают, что кристаллы железа во внутреннем ядре расположены по схеме «ГПУ» (гексагональной плотной упаковки). Кристаллы ориентированы с севера на юг, наряду с осью вращения Земли и магнитным полем.

Ориентация кристаллической структуры означает, что сейсмические волны (самый надежный способ изучения ядра) распространяются быстрее при движении с севера на юг, чем при движении с востока на запад. Сейсмические волны распространяются на четыре секунды быстрее от полюса к полюсу, чем через экватор.

Рост внутреннего ядра

Поскольку вся Земля медленно охлаждается, внутреннее ядро ​​растет примерно на миллиметр каждый год. Внутреннее ядро ​​растет по мере того, как частицы жидкого внешнего ядра затвердевают или кристаллизуются. Другое слово для этого — «замораживание», хотя важно помнить, что температура замерзания железа превышает 1000 °С.

Рост внутреннего ядра не является равномерным и находится под влиянием активности в мантии. 

Рост больше сосредоточен вокруг субдукционных зон — регионов, где тектонические плиты скатываются из литосферы в мантию, на тысячи километров выше ядра. Субдуцированные плиты отводят тепло от ядра и охлаждают окружающую область, вызывая их  затвердевание.

Рост менее сконцентрирован вокруг «суперплюмов» или LLSVP. Это мантийные струи (плюмы), потоки горячего вещества, проистекающие из нижних слоев мантии.  

Ядро никогда не «замерзнет». Процесс кристаллизации очень медленный, и постоянный радиоактивный распад внутренней части Земли замедляет его еще больше. По оценкам ученых, для полного затвердевания ядра потребуется около 91 миллиарда лет, но солнце сгорит гораздо раньше (через 5 миллиардов лет).

Основные полушария

Внутреннее ядро ​​делится на восточное и западное полушария. Эти полушария не плавятся равномерно и имеют четкие кристаллические структуры. Западное полушарие, кажется, кристаллизуется быстрее, чем восточное полушарие.

Ядро Внутреннего Ядра

Недавно ученые-геологи обнаружили, что само внутреннее ядро ​​имеет внутри себя еще одно ядро ​​- ядро внутри ядра. Это странное образование отличается от внутреннего ядра так же, как внутреннее ядро ​​отличается от внешнего ядра. Ученые считают, что к его  образованию привело масштабное  геологическое изменение около 500 миллионов лет тому назад.

Кристаллы внутреннего ядра в ядре ориентированы восток-запад, а не на север-юг. Эта ориентация не совпадает ни с осью вращения Земли, ни с магнитным полем. Ученые считают, что кристаллы железа могут даже иметь совершенно другую структуру (не ГПУ), или существовать в другой форме.

Способы изучения ядра Земли

Геофизики не могут изучать ядро ​​напрямую. Вся информация о ядре получается из сложного чтения сейсмических данных, анализа упавших метеоритов, лабораторных экспериментов с температурой, давлением и компьютерного моделирования.

Большинство основных исследований проводится путем измерения сейсмических волн, ударных волн, вызываемых землетрясениями на поверхности или вблизи поверхности. 

Фактически сейсмические волны помогают геологам определить структуру самого ядра. В конце 19-го века ученые отметили «теневую зону» глубоко в Земле, где объемная волна, называемая s-волной, либо полностью исчезает, либо изменяется. S-волна не может проходить через жидкость или газы. Внезапная «тень», где исчезли s-волны, указала, что у Земли есть некий слой жидкости.

В 20-м веке геологи обнаружили увеличение скорости p-волны, другого типа объемной волны, примерно на 5150 км ниже поверхности. Увеличение скорости соответствовало переходу от жидкой или расплавленной среды к твердой. Это доказало существование твердого внутреннего ядра.

Метеориты, космические камни, которые падают на Землю, также дают представление о ядре Земли. Большинство метеоритов представляют собой фрагменты астероидов, скалистых тел, которые вращаются вокруг Солнца между Марсом и Юпитером. Астероиды образовались примерно в то же время и из того же материала, что и Земля. Изучая богатые железом хондритовые метеориты, геологи смогли взглянуть на раннее формирование нашей солнечной системы и раннего ядра Земли.

В лаборатории самым ценным инструментом для изучения сил и реакций в ядре является «алмазная наковальня». «Алмазные наковальни» используют самое твердое вещество на Земле (алмазы) для имитации невероятно высокого давления в ядре. Устройство использует рентгеновский лазер для моделирования температуры ядра. Лазер пропускают через два алмаза, сжимая образец между ними.

Сложное компьютерное моделирование также позволило ученым изучить ядро. Например, в 1990-х годах моделирование прекрасно проиллюстрировало геодинамику — в комплекте со смещением полюсов

---