Будова Землі за даними геофізики і геохімії.

В 1909 р. югославський геофізик А.Мохоровичич установив нижню сейсмічну межу земної кори, яка потім була названа на його честь “Поверхнею Мохоровичича” (скорочено Мохо). Межу ядра на глибині 2900 км установив у 1914 р.

Таким чином, накоплений науковий матеріал дозволив на кінець 60-х років дати майже беззаперечне уявлення про будову Землі. Вона складається з трьох основних частин: земної кори, мантії і ядра. Земна кора складається з трьох оболонок: осадочної, "гранітної" і "базальтової" з перехідними шарами – “поверхнями”. Мантія поділяється на три частини: верхню, середню і нижню. Всередині верхньої мантії в інтервалі 75-150 км є в`язкий шар, що називається астеносферою. Середню мантію недавно стали називати “Шаром Голіцина”. В нижній мантії виділено перехідний до ядра шар. Ядро поділяється на зовнішнє і внутрішнє, а між ними також існує перехідний шар.

Щодо літосфери, то слід чітко знати, що до неї належить два шари – земна кора і підкорова тверда частина мантії. Іншими словами літосфера – це тверда оболонка Землі, що залягає вище астеносфери.

Перед тим, як перейти до розгляду особливостей оболонок, або геосфер і шарів, нагадаємо, що Земля має форму геоїда (близьку до трьохвісного еліпсоїда), який зумовлений нерівномірним розподілом мас різної щільності в надрах Планети.

Кулеподібність Землі першим передбачав ще Піфагор (древньогрецький вчений – 371-497 роки до н. е.). Але науковий доказ такої форми належить Арістотелю (384-322 роки до н.е.), який першим пояснив природу місячних затемнень, як тінь нашої планети. Великий англійський вчений І.Ньютон (1643-1727 рр.) розрахував, що обертання Землі обумовлює відхилення її форми від правильної кулі і надає їй деякої сплющеності біля полюсів. Причиною цього є відцентрова сила Fц, величина якої збільшується із збільшенням радіусу обертання r, тобто при наближенні до екватору. Тому на полюсі сила тяжіння максимальна, а на екваторі - мінімальна.

Маса Землі дорівнює 5,98_*10²⁴ кг, а середня щільність – 5,517_*10³ кг/м³ (тобто 5,5 т.). На земну кору припадає 0,8% всієї маси планети. Якщо враховувати, що щільність порід становить 1,6 – 3,2_*10³ кг/м³ , то це говорить про те, що речовина в надрах Землі значно важча від середньої величини. Але там вона міняється в різних оболонках і шарах, що видно з таблиці 1.

Таблиця 1.

Тиск під земною корою становить 1,3_*10³ МПа, на межі із зовнішнім ядром – майже 1,4_*10⁵ МПа, а у внутрішньому ядрі збільшується до 4_*10⁵ Мпа.

Глибини залягання геосфер і шарів надр Землі та їх властивості були встановлені сучасними геофізичними методами: сейсмічними, гравіметричними, геотермічними та іншими, навіть експериментальними. Але найбільшу інформацію про геосфери і шари Землі дав сейсмічний метод, який ґрунтується на швидкості і шляхах поширення пружних коливань – сейсмічних хвиль. Чим твердіші породи чи речовина Землі – тим швидше в цілому проходять через них сейсмічні хвилі. Через земну кору вони проходять з різною швидкістю в км/сек. в залежності від того, через які шари вони проходять: осадочний, "гранітний" чи "базальтовий". В мантії і ядрі сейсмічні хвилі теж проходять з різною швидкістю (табл. 2).

Таблиця 2.

Геофізики встановили, що речовина, яка складає мантію Землі, має дві властивості – твердого тіла і в’язкої речовини (на зразок смоли або льоду). Якщо на такі фізичні тіла діють раптові сили при ударі, то вони реагують як тверді тіла – розсипаються, в них поширюються повздовжні і поперечні хвилі. При повільній дії на них (остійному тиску, дії сил гравітації), такі тіла ведуть себе як в’язкі речовини – повільно течуть.

Важливо також мати уявлення про зміни температури з глибиною надр Землі. Встановлено, що на певній глибині від поверхні вона має постійну величину. Але ця глибина буде різною в певних географічних широтах і коливається переважно від 2 до 40 м. Бувають випадки, коли постійна температура зберігається на глибині за сотню метрів (наприклад, в Якутії – на глибині 116 м). Нижче вона починає зростати на 1 градус в середньому через кожні 30 м. Але нерідко спостерігаються відхилення від середньої геотермічної ступені – від 19 до 111м. Отже, можна приблизно визначити температуру надр на певній глибині земної кори. Вона буде наростати на 2-5 градуси на кожні 100 м При цьому треба вносити поправки на теплопровідність порід, характер хімічних реакцій, відстань до магматичних гарячих тіл, наявність термальних вод, концентрацію радіоактивних елементів та інше.

В мантії температура з глибиною підвищується значно повільніше

всього лише на 0,35-0,45^оС на кожний кілометр. Вчені встановили, що на глибині 100 км (тобто під земною корою) температура становить близько 1200^оС, на глибині 400 км – 1600^оС, а в ядрі 5000-6000^оС.

В хімічному складі Землі за А.П.Виноградовим (1962 р.), встановлені певні закономірності. Кора складається переважно з трьох елементів: O – 49,13% , Si – 26% i Al – 7,45%, а разом – 82,53%. Тому її нерідко називають, як уже говорилось, "Сіаль" (SiAl). (Про кількість у земній корі інших елементів повідомляє в наступному параграфі).

Хімічний склад мантії і ядра можна тільки передбачати, враховуючи склад метеоритів і диференціацію речовин в надрах Землі, і, звичайно ж, беручи до уваги речовинний склад кори та геофізичні властивості оболонок.

З мантії, як з первинної матерії Землі, відбулось виплавлення переважно легких хімічних елементів кори і важких елементів ядра. Тому передбачається, що ядро на 84-92% складається з заліза і нікелю, від чого йому і дано іншу назву – "Ніфе" (NiFe).

Зовнішнє ядро (шар Е), найвірогідніше, перебуває у в`язкому стані, а внутрішнє – у твердому.

Хімічний склад мантії досить складний. Він визначається оксидами кремнію, магнію, алюмінію, кальцію та іншими. Речовину мантії, з якої виплавилось залізо і нікель, називають піролітом. В шарі D", на думку О.Г.Сорохтіна, важливу роль відіграє одновалентний оксид заліза – Fe₂O, а речовина має флюїдальну текстуру (текстуру течії). Тому допускається процес перетікання мантійної речовини. В зв'язку з цим ряд дослідників пропонує розглядати шар D" (перехідний шар до зовнішнього ядра) як другу астеносферу Землі.

За розрахунками О.Г.Сорохтіна, з такого ж заліза складається і зовнішнє ядро. Цікавий також висновок цього вченого про наростання внутрішнього ядра щорічно на 1 см за рахунок постійно поступаючого до нього заліза.