Строение дна океанов
Внутреннее строение Земли
В настоящее время в геологии используется обширный арсенал методов изучения внутреннего строения нашей планеты. Среди этих методов необходимо отметить: бурение глубоких и сверхглубоких скважин; изучение скорости распространения упругих волн в Земле, возникших в результате землетрясений или мощных взрывов; измерение естественных физических полей Земли — гравитационного, магнитного, электрического и других. Характерно, что практически все эти методы, разработанные для работ на суше, теперь успешно применяются и для морских геологических исследований.
Естественно, что разные методы обладают различной глубиной исследования, детальностью, достоверностью и интерпретацией полученных результатов. Буровыми скважинами пока вскрыто не более 900 м океанического дна (для сравнения можно отметить, что глубочайшей на суше Кольской сверхглубокой скважиной в нашей стране пройден рубеж 12 км!). Интерпретация физических полей Земли пока не получила однозначного геологического толкования, и только сейсмологический метод, изучающий распространение упругих волн, является в этом смысле наиболее эффективным. Действительно, упругие сейсмические волны, возникающие при землетрясениях, способны в течение 21-22 мин пересечь весь земной шар. Результаты такого волнового «просвечивания» и позволили составить представление о внутреннем строении планеты.
Рис. 28. Геосферы Земли и их физическая характеристика
В строении Земли принимают участие три оболочки, или геосферы, — земная кора, мантия и ядро (рис. 28). Средний радиус Земли — 6371 км.
Внешняя оболочка Земли, называемая земной корой, слагает океаническое дно и континенты; по геофизической номенклатуре кора считается слоем А. Мощность коры непостоянна и изменяется от 5-7 км под океаническими впадинами до 70-80 км под континентальными складчатыми сооружениями, образуя здесь так называемые «корни гор». Земная кора сложена магматическими, метаморфическими и осадочными породами плотностью 2,2-2,8 г /см 3 — это минимальное значение для геосфер Земли (для сравнения можно отметить, что средняя планетарная плотность Земли равна 5,517 г /см 3 ). И по толщине, и по объему, и по массе земная кора представляет собой самую тонкую геосферу — ее масса составляет всего 0,8% массы планеты, а по толщине — 0,5%, т. е. она сходна с кожицей на крупном яблоке.
Скорость распространения упругих волн в земной коре колеблется в широких пределах — от 2 до 7,5 км /с, однако в целом отмечают тенденцию к росту скорости упругих волн (как и плотности пород) с глубиной. В этом же направлении выявлено неуклонное повышение температуры примерно на 3°С на 100 м. Таким образом, если температура на поверхности коры соответствует среднегодовому значению около 15°С, то в подошве коры она уже приближается к 1000°С. Горное давление здесь также достаточно велико и составляет примерно 1000 МПа.
Земная кора отделяется от нижележащей геосферы — мантии поверхностью Мохоровичича, названной так в честь открывшего ее югославского ученого. В составе мантии выделяют четыре самостоятельные оболочки — верхнюю мантию (слой В по геофизической номенклатуре), среднюю мантию (слой С), нижнюю мантию (слой D) и переходную оболочку (слой D’).
Среди оболочек мантии наиболее изучен слой В, или слой Гутенберга, названный по фамилии известного американского геофизика. По скорости распространения упругих волн (8,0-9,0 км /с) и плотности пород (3,3-3,6 г /см 3 ) сделан вывод о том, что верхняя мантия сложена ультраосновными породами — перидотитами; характеризуется нарастанием температуры примерно от 1000 до 2400°С, но градиент нарастания ее ниже, чем в коре, и составляет здесь 0,37°С на 100 м. Расчетное значение давления в подошве слоя В на глубине около 410 км составляет 13 тыс. МПа.
Наиболее характерной особенностью слоя Гутенберга является то, что часть его находится в своеобразном, полурасплавленном состоянии, при котором каркас тугоплавких минералов пропитан расплавом более легкоплавких алюмосиликатов. Здесь наблюдается снижение скорости распространения упругих волн до 7,9 км /с, но, главное, здесь проявляются свойства чрезвычайно вязкой жидкости. Прочность такого вещества понижается, поэтому эту часть слоя Гутенберга называют астеносферой («ослабленным» слоем). Мощность астеносферы непостоянна; она залегает на глубинах 120-250 км под континентами и 60-400 км под океаническим дном, а в рифтовых долинах астеносфера непосредственно приближается к поверхности дна. Лежащие на астеносфере твердые слои коры и часть верхней мантии образуют литосферу, которая разбита на отдельные пластины протяженностью многие тысячи километров; такие пластины называются литосферными плитами.
По современным представлениям, астеносфера является наиболее динамичным и активным в тектоническом отношении слоем мантии, с ней связаны очаги всех вулканических извержений. Вязкие свойства астеносферы обеспечивают выравнивание геостатических нагрузок вышележащих твердых слоев. Практически можно считать, что литосферные плиты плавают на астеносфере, подчиняясь закону Архимеда, подобно айсбергам, — так можно объяснить глубокое проседание в астеносферу толстых континентальных литосферных плит и относительно высокое положение тонких пластин океанической литосферы.
Под слоем В, в интервале 410-1000 км, залегает средняя мантия, или слой С. Этот слой называют слоем Голицына в честь выдающегося русского сейсмолога. Здесь продолжается нарастание плотности (от 3,6 до 4,5 г /см 3 ), температуры (до 3000°С с градиентом около 0,1°С/100 м) и давления (до 35 тыс. МПа). Характерной особенностью слоя Голицына является исключительно крутое нарастание скорости распространения упругих волн с глубиной — от 9,0 до 11,5 км /с. По-видимому, это связано с перестройкой кристаллических решеток различных минералов под действием высокого давления; при более компактной «упаковке» атомов и ионов достигается увеличение плотности на 10% при сохранении химического состава.
Глубже, примерно до глубины 2700 км, залегает слой D, или нижняя мантия. Здесь продолжается нарастание температуры (до 4300°С с градиентом около 0,07°С/100 м), давления (до 135 тыс. МПа), плотности (от 4,5 до 5,5 г /см 3 ) и скорости распространения упругих волн (до 13,5 км /с). Это максимальное для планеты значение скорости упругих волн; ниже, в переходном слое D’ (2700-2920 км), уже отмечается некоторое его снижение.
В целом мантия Земли занимает гигантский объем около 900 млрд. км 3 , что составляет почти 83% планетарного объема. По массе доля мантии несколько меньше и составляет 67% массы Земли.
Третья, наименее изученная геосфера Земли — ее ядро. Оно расположено в интервале от 2920 до 6371 км. По сейсмологическим данным, ядро состоит в основном из тяжелых металлов — железа, никеля и их окислов. Поэтому плотность ядра значительно выше плотности мантии и составляет 10-12,5 г /см 3 . Температура в ядре возрастает до 6300°С, а давление — до 360 тыс. МПа.
В таких условиях внешняя часть ядра, или слой Е, до глубины примерно 4980 км находится в жидком состоянии. Глубже залегает переходный слой F толщиной около 140 км, т. е. до глубины 5120 км, и в центре планеты расположено твердое внутреннее ядро G радиусом 1251 км.
В целом ядро Земли составляет примерно 16% объема планеты и около 32% ее массы.
Источник
Планета Земля
© Владимир Каланов,
сайт «Знания-сила».
8. Структура рельефа океанского дна.
Таким образом, к настоящему времени установлено, что ложе всех океанов располагается на земной коре океанического типа, а впадины земной поверхности, в которых накопилась океанская вода, образовались в результате процесса глубинной дифференциации остывавшей земной мантии. Этот процесс происходил в течение миллионов лет на фоне неравномерного вращения Земли в условиях её длительного гравитационного взаимодействия с Луной. Указанный процесс предопределил образование двух типов литосферы: лёгкого и мощного материкового типа и более тяжёлого, но менее мощного, океанического типа, расположенного ниже уровня Мирового океана.
Океанология располагает теперь достаточными доказательствами того, что океаны не всегда имели те очертания, которые они имеют в настоящее время, а дно океанских впадин имеет возраст значительно более «молодой», чем континентальная кора. Образцы грунта, добытые в результате глубоководного морского бурения на глубину до 1000 метров от поверхности дна, показали, что на этом уровне залегают породы не древнее пород юрского периода.
До середины 20 века считалось, что строение земной коры (литосферы) по всей поверхности планеты одинаково. Предполагалось, что разница состоит только в том, что земная кора в области гор возвышается, образуя складки, а под океанами опускается, образуя под их тяжестью огромные и глубокие впадины. Однако оказалось, что это не совсем так. Континентальная кора Земли изучена достаточно хорошо. Верхний слой континентальной коры состоит из осадочных пород, имеющих морское происхождение, то есть основная масса этих осадочных пород образовалась в древних морях. Лишь незначительная часть осадочных пород континентальной коры возникла в результате выветривания непосредственно на суше.
О внутреннем строении Земли
✦ Основные виды осадочных пород – это пески, песчаники, глины, известняки, иногда каменная соль. Толщина осадочного слоя в разных районах земной поверхности различна. В отдельных случаях она достигает 20 км, но есть районы, где осадочные породы почти или даже полностью отсутствуют, а на поверхности находится следующий слой земной коры – граниты. Это общее название объединяет собственно граниты, а также близкие к ним по составу породы – гранитоиды, гнейсы и слюдистые сланцы. Толщина, или как в геологии говорят, мощность гранитного слоя может достигать 25-30 км. Самый нижний слой земной коры состоит из тяжёлых пород – базальтов, которые представляют собой застывшие излияния магмы из верхней мантии. Предполагается, что мощность базальтового слоя составляет 15-20 км.
Мощность слоёв Земной коры непосредственными замерами определить нельзя, ибо нет пока технической возможности пробурить твёрдые слои на глубину более 10-12 км. Поэтому о мощности, строении и свойствах слоёв земной коры судят по результатам геофизических исследований, среди которых отметим исследования путём измерения скорости распространения сейсмических волн в различных слоях литосферы.
✦ Существует гипотеза, что ниже базальтов лежит слой так называемого перидотита, ещё более плотной породы, а под нижней мантией находится отнюдь не расплавленная магма, а стокилометровый слой астеносферы (ослабленного слоя), вещество которого находится в размягчённом состоянии. Под астеносферой, вплоть до глубины 2900 км залегают сверхплотные слои. Далее, в центре Земли находится ядро. Что оно собой представляет? Жидкое оно или твёрдое? Из каких веществ состоит? Какой объём занимает? На эти вопросы наука пока не имеет определённых ответов, хотя в различных гипотезах недостатка нет.
Гипотезы и догадки выдвигали ещё древние учёные и мыслители. Первым из них называют греческого философа Эмпедокла, который жил в 5 веке до н.э. Наблюдая истечение огненной лавы из жерла вулкана Этна во время его извержения, Эмпедокл пришёл к выводу, что под холодной твёрдой оболочкой Земли находится слой расплавленной магмы. История науки донесла до последующих поколений известие о том, что этот смелый учёный погиб при попытке проникнуть в жерло вулкана с целью его изучения.
Мы несколько отвлеклись, хотя и вынужденно, от темы океанского дна. Но зато мы имели возможность убедиться, что Земля хорошо изучена только с поверхности. Пожалуй, о ближнем космосе у нас более чёткие представления, чем о внутреннем строении Земли и о её океанских глубинах.
Теперь установлено определённо, что океаническая кора, служащая ложем океана, совершенно иная по сравнению с континентальной корой. Во-первых, под ложем океана кора состоит не из трёх, а из двух слоёв – осадочного толщиной 1-2 километра и базальтового. Характерный для континентальной коры гранитный слой присутствует только под океанским шельфом, а под материковым склоном он уже обрывается.
Итак, опускаемся мысленно на дно океана, а именно в океанское ложе, которое в общей сложности занимает 75% площади океана. Первое, что мы сможем увидеть – это мягкие осадки, покрывающие всё дно океана. Скопления осадков особенно заметны у подножия материкового склона, так как мягкие породы легко смываются со склона.
Осадки образуются из взвешенного в воде материала. Основная масса осадочного материала поступает в океан с суши. Реки ежеминутно и беспрерывно выносят в море размытые и разрушенные породы и частички почвы, а также песок, глину, растворённые вещества. В воде рек постоянно находятся мельчайшие взвеси, отчего вода в больших реках чаще всего непрозрачная и мутная. В устьях рек крупные обломки и взвешенные частицы падают на дно недалеко от берега, в то время как мелкие частицы относятся дальше в море, иногда на многие километры. Если посмотреть с самолёта или даже с борта крупного судна, то граница между мутной речной и прозрачной морской водой будет хорошо видна.
В открытое море попадает только незначительное количество самых тонких взвешенных частиц, принесённых реками, остальные уходят в осадок вблизи берега.
Океанографы подсчитали, что ежегодно на дно Мирового океана опускается 30 миллиардов тонн осадочного материала.
В создании такой колоссальной массы осадков участвуют не только реки, но и временные потоки, вызванные таянием снегов и образующиеся после сильных дождей. В осадки попадает также материал морских берегов, размываемых прибоем. Некоторая часть осадков возникает химическим путём из растворённых в воде веществ.
Различный наземный материал выносят в море льды. Ледяные горы при сползании в океан несут на своих подошвах обломки скал, камни, песок и другие элементы грунта. По мере таяния айсбергов эти предметы падают на дно, превращаясь в осадки.
В умеренной и особенно тропической зоне материалы, выносимые в океан реками, являются в основном продуктом процессов выветривания и размыва почв и горных пород. К этим процессам в указанных зонах, где достаточно влаги, добавляются процессы химического разрушения материалов земной коры. Потоки воды выносят здесь в океан в первую очередь легко растворимые вещества и мелкие частицы грунта.
Значительная часть осадков наземного происхождения попадает в океан воздушным путем. Над пустынями и полупустынями Земли периодически проносятся бури, которые поднимают в воздух огромное количество пыли. Пыль переносится на тысячи километров, оседая постепенно на другие участки суши и, конечно, в океан.
Лучше всего изучены переносы африканской пыли в Атлантический океан. Дело в том, что африканская пыль от природы имеет свою «отличительную окраску». Так, на севере Африки пассаты сдувают с поверхности Сахары ярко-красную и красно-коричневую пыль. Красный шлейф Сахары прослеживается на дне Атлантического океана вплоть до Антильских островов и берегов Америки. Учёные определили, что через 5-6 суток после начала пылевой бури в Сахаре красная пыль выпадает на острове Барбадос, расположенном на другой стороне океана. По этим фактам можно судить о скорости перемещения пыли в атмосфере.
Из засушливых районов Африки поднимается чёрная и чёрно-коричневая пыль пахотных земель. Эти чёрные пылевые потоки менее мощные, чем на севере, но и их след хорошо виден на дне океана.
Понятно, что распашка целинных земель, вырубка лесов, мелиорация часто приводят к выдуванию и развеиванию самого плодородного слоя почвы. Нам уже приходилось упоминать о таких неграмотных вмешательствах человека в веками сложившееся природное равновесие и о том, какие плачевные результаты это приносит.
Облака пыли и вулканический пепел
Свою немалую «лепту» в образовании пыли над планетой и пыли непростой, а радиоактивной, вносили взрывы атомных бомб, особенно наземные. Взрыв одной термоядерной бомбы, в зависимости от её калибра, способен поднять в атмосферу и стратосферу от 10 до 100 млн. тонн пыли.
Количество пыли и других аэрозолей техногенного происхождения оценивается в 200-250 млн. тонн в год. Это намного меньше количества естественных аэрозолей. Но беда в том, что техногенные аэрозоли часто бывают токсичными. Например, десятая часть мировой добычи свинца в том или другом виде попадает в атмосферу, а потом осаждается на суше и в океане. Ядовитость свинца давно известна, а объём его мирового производства превышает 3 млн. тонн в год.
Огромный вред человечеству и всему живому на большой территории Земли и в акватории океана нанесла радиоактивная пыль, поднятая взрывом реактора на Чернобыльской АЭС. Это всем известно, но не упомянуть здесь об этой трагедии мы просто не имеем права.
Облака пыли, поднимаемые бурей, а также вулканический пепел, выбрасываемый при извержении вулканов, перед тем как превратиться в осадки на земле или в океане, могут принести немалые неприятности людям. Настоящим бедствием оказалось извержение вулкана Эйяфьятлайокудль в Исландии в 2010 году. Огромное облако пепла повисло тогда над всей Северной Европой и над значительной частью Западной Европы. Плотность этого облака была такова, что из-за отсутствия видимости в течение нескольких недель была исключена возможность полётов как гражданской, так и военной авиации.
По подсчётам вулканологов, извержения вулканов на планете выносят в атмосферу 2-3 млрд. тонн осадочного материала в год. Поднятая извержениями вулканов и бурями пыль может оставаться в воздухе продолжительное время, иногда до 5-6 лет. В этой связи нужно отметить, что в атмосфере Земли иногда наблюдаются так называемые высотные струйные течения, скорость которых составляет сотни километров в час, а протяжённость – несколько тысяч километров. Такие воздушные течения, подобно своеобразным атмосферным рекам быстро переносят пыль и другие аэрозоли, которые потом осаждаются на суше и в океане.
Слой океанских донных осадков
Не последняя роль в образовании морских осадков принадлежит морским организмам. Рассуждая об этом, мы хотим лишний раз подчеркнуть, что море, с любой точки зрения, — это великое явление природы. Все организмы, что живут и умирают в море, в конце концов становятся составной частью океанских донных осадков. Интересно, что основную массу осадков образуют самые мелкие существа, начиная от простейших одноклеточных корненожек, радиолярий и водорослей, кончая крохотными планктонными ракообразными (их размеры колеблются от 0,1 до 15 миллиметров).
Эти мелкие существа живут в верхнем стометровом слое морской воды. Большинство из них, в том числе простейшие, моллюски и водоросли, имеют скелеты и панцири (известковые или кремниевые). Закончив свою непродолжительную жизнь, они медленно, непрерывным потоком опускаются на дно. По пути на дно их тела разрушаются бактериями, и дна достигают главным образом их раковины, панцири и частично – скелеты. Скелеты и панцири этих организмов, в зависимости от их химического состава и условий окружающей среды, могут сохраняться длительное время. Например, установлено, что остров Барбадос сложен почти полностью из крошечных раковинок одноклеточных животных – радиолярий (или лучевиков).
Известковые скелеты в холодных водах чаще всего не достигают дна, так как известь хорошо растворяется в холодной морской воде из-за большего содержания в ней угольной кислоты. Наоборот, в мелких прибрежных тропически водах, где содержание углекислоты незначительно, известь почти не разрушается.
Кроме планктонных организмов в образовании осадков участвуют и донные: моллюски, губки и кораллы .
Осадочные материалы различного происхождения, в зависимости от условий осадкообразования, перемешиваются между собой в различных пропорциях. Толщина слоя осадков в разных районах океанского дна варьирует в больших пределах. У подножия материкового склона толщина слоя осадков иногда достигает 1000 метров.
Определяется толщина слоя осадков сейсмическими методами, а в отдельных случаях способом морского бурения.
Чаще всего осадки на морском дне выглядят в виде ила. Ил образуется из оседающих на дно крупинок органических веществ и глин. Величина частичек ила составляет 0,01 — 0,06 миллиметра.
Из разрушенных мельчайших раковин и наружных покровов крохотных ракообразных, содержащих соли кальция, возникают известковые илы.
Кремневые илы образуются из наружных скелетов одноклеточных организмов – радиолярий и двустворчатых панцирей микроскопических водорослей-диатомей.
На глубине более 4500 метров осадки состоят в основном из красных глин. Известковые осадочные породы на таких глубинах не образуются, так как здесь нормальные карбонаты (соли угольной кислоты), в том числе кальциты – карбонаты кальция, растворяются в морской воде в условиях низких температур.
Быстрее всего известковые осадки накапливаются на глубинах до 4000 метров. «Скорость» такого накопления составляет здесь от 1 до 4 сантиметров за 1000 лет. Эта скорость покажется достаточно высокой, если её сравнить со скоростью накопления осадков в глубоководных впадинах, которая составляет там 1 миллиметр за тысячу лет! Медленное накопление осадочных материалов в глубоководных районах объясняется тем, что наиболее крупные взвешенные частицы падают на дно ещё до того, как течения достигают глубоководных впадин. Осадки в таких впадинах состоят в основном из красных глин.
Полиметаллические и фосфоритовые донные конкреции
Известковые отложения и красные глины в осадочных материалах глубокого океанского дна представляют в основном чисто научный интерес. Однако на океанском дне обнаружены вещества, представляющие чисто практический интерес.
В 1948 году шведские учёные на научном корабле «Альбатрос» исследовали впадину «Атлантис-2». В этой впадине, вблизи разлома океанского дна, был обнаружен источник, из которого выходила горячая вода (с температурой до +56°C). Эта горячая вода оказалась своеобразным рассолом, который содержит в своих осадках медь, никель, кобальт, свинец и даже серебро и золото.
В дальнейшем такие впадины были найдены не только в Атлантическом океане, но и в других областях Мирового океана, в частности, в Красном море. Мощность осадков в виде илов в этих впадинах, по данным сейсмической разведки, может достигать 100 метров, а суммарный объём рудной массы в одной только впадине «Атлантис-2» может составить в пересчёте на сухой вес от 100 до 150 млн. тонн.
Кроме рудных илов на океанском дне обнаружены полиметаллические и фосфоритовые конкреции. Оказалось, что фосфоритовые конкреции распространены на шельфах и материковых склонах всех океанов. Запасы фосфоритов только на континентальном шельфе оцениваются в 300 миллиардов тонн! Специалисты считают, что в будущем этих запасов хватит на тысячу лет промышленного производства фосфора даже при том, что для переработки технологически пригодными окажутся не более 10% фосфоритных руд.
Чаще всего полиметаллические конкреции встречаются на глубинах свыше 3 км, но они обнаружены также и в морях океанского шельфа, в том числе в Балтийском.
Впервые полиметаллические конкреции были открыты ещё в 70-х годах 19 века. Сделала это экспедиция на английском судне «Челленджер», главной задачей которой был сбор сведений для составления карты глубин Мирового океана. В течение почти четырехлетнего кругосветного путешествия эта экспедиция успешно выполнила поставленную задачу. В дополнение к этому было сделано открытие полиметаллических конкреций на океанском дне.
Размеры конкреций небольшие, они измеряются сантиметрами. Но попадаются и более крупные массы. Например, в одном из рейсов советского научно-исследовательского судна «Витязь» в 60-х годах 20 века была поднята конкреция диаметром 1,5 метра и весом свыше одной тонны.
Площади океанского дна, покрытые конкрециями, огромны. Только в Тихом океане они занимают более 150 млн. квадратных километров, а запасы конкреций здесь оцениваются в 350 млрд. тонн. Русские геологи совместно с океанологами успели подсчитать, что только в этих запасах содержится 70 млрд. тонн марганца, 2 млрд. тонн никеля, 1,5 млрд. тонн меди, 1 млрд. тонн кобальта. А ведь ещё есть Атлантика и Индийский океан, где также имеются запасы конкреций, правда, поменьше, чем в Тихом океане – «всего» в 100 млрд. тонн конкреций.
Как были подсчитаны эти сказочные запасы, нам неизвестно. Но это не так важно. Главное, что эти богатства свалились, вернее, всплыли нежданно человечеству. Теперь главная задача в том, чтобы разработать надёжные технологии и механизмы для осуществления добычи и переработки этих богатств. Но решить эту задачу человечество сможет только в условиях прочного мира, объединив творческие усилия и научно-технический потенциал всех развитых наций. Кто знает, что теперь важнее – решать проблемы по освоению космоса, или по изучению и освоению богатств земного океана…
© Владимир Каланов,
сайт «Знания-сила».
Источник