Литосфера Земли

Литосфера Земли состоит из двух слоев: земной коры и части верхней мантии. Границей между ними является т.н. граница Мохоровичича, выделяемая на основании увеличения скорости распространения продольных сейсмических волн и плотности вещества.

Земная кора — это верхняя твёрдая оболочка Земли. Кора не является уникальным образованием, присущим только Земле, т.к. есть на большинстве планет земной группы, спутнике Земли — Луне и спутниках планет-гигантов: Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Однако только на Земле кора бывает двух типов: океанической и континентальной. В пограничных областях развивается земная кора промежуточного типа — субконтинентальная или субокеаническая, формирующаяся, например, в зонах островных дуг. В зонах срединно-океанических хребтов можно выделить кору рифтогенного типа, в связи с отсутствием в этих зонах габбро-серпентинитового слоя и близким положением астеносферы.

Океаническая земная кора состоит из трёх слоёв: верхнего осадочного, промежуточного базальтового и нижнего габбро-серпентинитового, который до последнего времени включался в состав базальтового.

Толщина её составляет от 2 км в зонах срединно-океанических хребтов до 130 км в зонах субдукции, где океаническая кора погружается в мантию. Связано данное различие с тем, что в зонах срединно-океанических хребтов океаническая кора образуется, по мере удаления от хребтов её мощность возрастает, редко превышая значение в 7 км, достигая максимума в зонах погружения коры в верхнюю мантию. Наибольшее количество зон субдукции приходится на Тихий океан; с ними связывают мощные моретрясения.

Осадочный слой, покрывающий расплав невелик: его толщина редко превышает 0,5 км, лишь вблизи дельт крупных рек достигая толщины в 10-12 км. Состоит осадочный слой из песка, отложений остатков животных и осаждённых минералов. В его основании часто залегают тонкие не выдержанные по простиранию металлоносные осадки с преобладанием оксидов железа. Нижняя часть слоя сложена карбонатными породами, которые на больших глубинах не обнаруживаются, в связи с растворением при большом давлении раковин фораминифер и кокколитофорид, слагающих карбонатные породы. На глубинах превышающих 4,5 км карбонатные породы замещаются красными глубоководными глинами и кремнистыми илами.

Базальтовый слой в верхней части сложен базальтовыми лавами толеитового состава, которые называют ещё подушечными из-за характерной формы. Ниже лежит дайковый комплекс, образованный долеритовыми дайками. Дайки представляют собой каналы, по которым базальтовая лава изливалась на поверхность. По этой причине базальтовый слой обнажается во многих местах примыкающих к срединно-океаническим хребтам.

В зонах субдукции базальтовый слой превращается в экголиты, которые имея плотность больше чем окружающие перидотиты (самые распространённые мантийные породы) погружаются в глубину. Масса экголитов в настоящее время составляет около 7 % от массы всей мантии Земли.

Габбро-серпентинитовый слой лежит непосредственно над верхней мантии. В его составе выделяются габброиды и серпентинизированный перидотит, образующиеся соответственно при медленной кристаллизации базальтовых расплавов в магматическом очаге и при гидратации основных пород мантии по трещинам литосферы. Мощность слоя составляет 3-6 км; он прослеживается во всех океанах. Скорости продольных сейсмических волн в пределах слоя составляют 6,5-7 км/сек.

Возраст океанической земной коры в среднем составляет 100 млн. лет. Самые старые участки океанической земной коры имеют возраст 156 млн. лет (поздняя юра) и располагаются во впадине Пиджафета в Тихом океане.

Столь молодой возраст объясняется постоянным образованием и поглощением океанической коры. Ежегодно в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов в результате происходящей под ними сепарации базальтовой лавы и её излияния на поверхность океанического дна образуется 24 км³ магматических пород массой 70 млрд. тонн. Если учесть, что общая масса океанической земной коры согласно расчётам составляет 5,9×10¹⁸ тонн, то получается, что вся океаническая кора обновляется за 100 млн. лет, что и принимается за её средний возраст. Толщина океанической земной коры со временем практически не меняется, в связи с построением её из выделившегося расплава.

Океаническая земная кора сосредоточена не только в пределах ложа Мирового океана. Небольшие древние её участки известны в закрытых бассейнах, примером которых может служить северная впадина Каспийского моря. Общая площадь океанической земной коры составляет 306 млн.км².

Континентальная земная кора, как видно из названия, лежит под континентами Земли и крупными островами. В отличие от океанической континентальная земная кора состоит из трёх слоёв: верхнего осадочного, среднего гранитного и нижнего базальтового. Толщина подобного типа земной коры под молодыми горами достигает 75 км, под равнинами составляет от 35 до 45 км, под островными дугами сокращается до 20-25 км.

Осадочный слой континентальной земной коры формируется: глинистыми отложениями и карбонатами мелководных морских бассейнов в пределах протерозойских платформ; грубообломачными фациями, сменяемыми выше по разрезу песчано-глинистыми отложениями и карбонатами прибрежных фаций в краевых прогибах и на пассивных окраинах континентов атлантического типа.

Гранитный слой земной коры формируется в результате вторжения магмы в трещины земной коры. Состоит из кремнезёма, алюминия и других минералов. Мощность гранитного слоя достигает 25 км. Скорость продольных сейсмических волн составляет от 5,5 до 6,3 км/сек. Слой очень древний: его средний возраст около 3 млрд. лет.

На глубинах 15-20 км, часто прослеживается граница Конрада, вдоль которой скорость распространения продольных сейсмических волн увеличивается на 0,5 км/сек. Граница разделяет гранитный и базальтовый слои.

Базальтовый слой формируется при излиянии основных (базальтовых) лав на поверхность суши в зонах внутриплитного магматизма. Базальт тяжелее гранита, содержит больше железа, магния и кальция. Скорость продольных сейсмических волн в пределах слоя от 6,5 до 7,3 км/сек.

Граница между гранитным и базальтовыми слоями в ряде мест проходит по т.н. поверхности Конрада, в пределах которой происходит скачкообразный рост скорости продольных сейсмических волн с 6 до 6,5 км/сек. В других местах скорость продольных сейсмических волн растёт постепенно и граница между слоями размыта. И, наконец, есть области, где наблюдаются сразу несколько поверхностей в пределах которых происходит возрастание сейсмических волн.

Общая масса земной коры оценивается в 2,8×10¹⁹ тонн, что составляет лишь 0,473% от массы всей планеты Земля.

Снизу земная кора отделена от верхней мантии границей Мохоровичича или Мохо, установленной в 1909 году хорватским геофизиком и сейсмологом Андреем Мохоровичичем. На границе происходит резкий рост скоростей продольных и поперечных сейсмических волн. Возрастает также плотность вещества. Граница Мохо может не совпадать с границами земной коры, по-видимому разделяя области разного химического состава: лёгкие кислые земной коры и плотные ультраосновные мантийные.

Слой лежащий под земной корой называется мантией. Мантия делится слоем Голицына на верхнюю и нижнюю, граница между которыми проходит на глубине около 670 км.

В пределах верхней мантии выделяется астеносфера — пластинчатый слой, в пределах которого скорости сейсмических волн понижаются. 

Термин литосфера употребляется в науке давно — вероятно, с середины XIX в. Но современное значение он приобрел менее полувека назад. Еще в геологическом словаре издания 1955 г. сказано: 
ЛИТОСФЕРА — то же, что земная кора. 
В словаре издания 1973 г. и в последующих уже читаем: 
ЛИТОСФЕРА ... в современном понимании включает земную кору ... и жесткую верхнюю часть верхней мантии Земли.

Обращаем внимание читателей на формулировку: верхнюю часть верхней мантии. Между тем в одном из учебников на рисунке указано: «Литосфера (земная кора и верхняя мантия)», а согласно рисунку получается, что вся мантия, которая не входит в состав литосферы, — нижняя (Крылова 6, с. 50, рис. 30). Кстати, в том же учебнике в тексте (с. 49) и в учебнике для 7-го класса (Крылова 7, с. 9) все верно: сказано о верхней части мантии. Верхняя мантия — это геологический термин, обозначающий очень большой слой; верхняя мантия имеет мощность (толщину) до 500, по некоторым классификациям — свыше 900 км, а в состав литосферы входят лишь верхние от нескольких десятков до двух сотен километров. Всё это трудно не только для учеников, но и для учителей. Лучше было бы вообще отказаться в школе от термина литосфера, ограничившись упоминанием земной коры; но тут возникают литосферные плиты, и без литосферы уже никак. Возможно, поможет рис. 1, его нетрудно перечертить в увеличенном виде. Говоря о литосфере, нужно твердо помнить, что в ее состав входят земная кора и верхний, сравнительно тонкий слой мантии, но не верхняя мантия — последний термин гораздо шире.

Слои литосферы

Земную кору с упорством, достойным  лучшего применения, во всех учебниках  продолжают делить на три слоя —  осадочный, гранитный и базальтовый. А пора бы уже и сменить пластинку. 
Бо’льшая часть сведений о глубинном строении Земли получена по косвенным, геофизическим данным — по скоростям распространения сейсмических волн, по изменениям величины и направления силы тяжести (ничтожным, уловимым только очень точными приборами), по магнитным свойствам и величине электропроводности пород. Масса плотных пород в одном и том же объеме больше, чем пород менее плотных, они создают увеличенное поле тяготения. В плотных породах ударные волны проходят быстрее (вспомните, что в воде звук распространяется заметно быстрее, чем в воздухе). Проходя через породы с разными физическим свойствами, волны отражаются, преломляются, поглощаются. Волны бывают поперечные и продольные, скорости их распространения различны. Исследуют прохождение природных ударных волн при землетрясениях, создают эти волны искусственно, производя взрывы^*. 
Из всех этих данных складывается картина распределения по площади и в глубину пород с разными физическими свойствами. На ее основе создают модель строения недр Земли: подбирают горные породы, физические свойства которых более или менее совпадают со свойствами, определенными при помощи косвенных методов, и мысленно помещают эти породы на соответствующую глубину. Когда удается пробурить скважину до глубины, прежде недоступной, или получить какие-нибудь другие достоверные данные, эта модель подтверждается полностью или частично. Бывает же, что и не подтверждается вообще, приходится строить новую. Ведь отнюдь не исключено, что на глубине залегают породы, каких мы на поверхности вообще не встречаем, или что на глубине, при высоких температуре и давлении, до неузнаваемости изменятся свойства хорошо известных нам пород.  
В 1909 г. сербский геофизик Андрей Мохоро’вичич заметил, что на глубине 54 км резко, скачкообразно возрастают скорости сейсмических волн. В дальнейшем этот скачок был прослежен по всему земному шару на глубинах от 5 до 90 км и известен ныне как граница (или поверхность) Мохоровичича, короче — граница Мохо, еще короче — граница М. Поверхность М считают нижней границей земной коры. Важная особенность этой поверхности состоит в том, что она в общих чертах представляет собой как бы зеркальное отражение рельефа земной поверхности: под океанами она выше, под континентальными равнинами ниже, под наиболее высокими горами опускается ниже всего (это так называемые корни гор). 
Эту особенность земной коры, наверное, нетрудно будет объяснить школьникам, пустив плавать в прозрачном сосуде с водой несколько разных по форме деревяшек, желательно тяжелых, чтобы уходили в воду на ²/₃ — ³/₄; те из них, которые выше выступают над водой, окажутся и глубже погруженными (рис. 2).

Согласно традиционному представлению  о строении земной коры, о котором  можно прочитать в любом учебнике, в составе земной коры принято  выделять три основных слоя. Верхний из них сложен преимущественно осадочными породами и называется осадочным. Два нижних слоя носят названия «гранитный» и «базальтовый». Соответственно, выделяют и два типа земной коры. Континентальная кора содержит все три слоя и имеет мощность 35—50 км, под горами до 90 км. В океанической коре осадочный слой имеет значительно меньшую мощность, а средний, «гранитный» слой отсутствует; мощность океанической коры — 5—10 км (рис. 3). Между «гранитным» и «базальтовым» слоями лежит граница Конрада, названная по фамилии открывшего ее австрийского геофизика; в школьных учебниках ее не упоминают.

Но исследования последних двух десятилетий показали, что эта  стройная, легко запоминающаяся схема  плохо согласуется с действительностью. «Гранитный» и «базальтовый»  слои состоят преимущественно из магматических и метаморфических  пород. На границе Конрада происходит скачкообразное увеличение скоростей  сейсмических волн. Такого увеличения скоростей можно ожидать при  переходе волн из пород с плотностью 2,7 в породы с плотностью 3 г/см³, что примерно соответствует плотностям гранита и базальта. Поэтому вышележащий слой назвали «гранитным», а нижележащий «базальтовым». Но обратите внимание: эти названия везде в кавычках. Геофизики не считали эти слои состоящими из гранита и базальта, они лишь говорили о некоторой аналогии. Однако даже многие геологи не удержались от соблазна счесть, что «гранитный» слой — действительно из гранита, а «базальтовый» — из базальта. Что уж говорить об авторах школьных учебников! 
Коринская, с. 20, рис. 8. Подписи к условным знакам: «Слой осадочных пород. Слой гранита. Слой базальта». 
Петрова, с. 47—48. «Мы входим в гранитный слой Земли. Гранит ... образовался из магмы в толще земной коры... Вступаем в слой базальта — горной породы глубинного происхождения». (Кстати, это неверно: базальт не глубинная, а излившаяся порода.) 
Финаров, с. 15 и Крылова 7, с. 10, рис. 1 — гранитный и базальтовый слои названы без кавычек, и ученик ясно видит, что они состоят из этих горных пород. 
Необходимая оговорка сделана лишь в одном учебнике, но достаточна ли она, чтобы на нее обратили внимание? 
«В материковой [коре] залегает слой, который называется гранитным. Он сложен магматическими и метаморфическими породами, близкими по составу и плотности к гранитам... Нижним слоем земной коры является слой, условно названный базальтовым; он ... состоит из пород, плотность которых близка к базальтам» (Крылова, Герасимова, с. 10). 
Одной из задач Кольской сверхглубокой скважины** было достижение границы Конрада, которая, согласно геофизическим данным, залегает в этом месте на глубине 7—8 км. И пожалуй, важнейшим геологическим результатом бурения оказалось доказательство отсутствия границы Конрада в ее геологическом понимании: в каких породах скважина шла выше установленной геофизиками границы, в таких же прошла она и несколькими километрами ниже ее.