Важнейшим научным открытием начала XX века является основанный на данных сейсмологии вывод о наличии в Земле концентрических оболочек различной плотности — земной коры, мантии и ядра.

Земная кора

Это твердая каменная оболочка Земли. Толщина ее колеблется от 5—10 км в океанах до 70— 80 км на материках. По скорости распространения сейсмических волн в земной коре материков выделяют три слоя: верхний — «осадочный», средний — «гранитный» и нижний — «базальтовый». Они различаются химическим и минеральным составом, физическими свойствами слагающих их горных пород.

Осадочный слой сложен продуктами разрушения пород «гранитного» слоя. Он покрывает почти всю поверхность Земли и в глубоких впадинах достигает 20—25 км. Скорость распространения продольных сейсмических волн в пределах осадочного слоя достигает 2,0—5,5 км/с. Средний слой земной коры назван «гранитным» потому, что скорость прохождения через него продольных сейсмических волн (5,5—6,3 км/с) совпадает со скоростью упругих колебаний, полученных в лабораторных условиях для гранитных пород. Толщина гранитного слоя достигает на континентах в среднем 15 км. Верхняя часть его в некоторых районах, например на Кольском полуострове, в Финляндии и других, выходит на поверхность Земли и доступна для непосредственного изучения.

«Базальтовый» слой получил свое название также потому, что скорости прохождения через него продольных сейсмических волн (6,5—7,2 км/с) соответствуют скоростям упругих колебаний в базальтах. Толщина базальтового слоя на континентах достигает 20—35 км.

В действительности названия «гранитный» и «базальтовый» не отражают истинного состава этих слоев. «Гранитный», по-видимому, представлен не только гранитами, но также другими изверженными и метаморфическими породами. Базальтовый слой состоит, по-видимому, главным образом из метаморфических пород различной стадии метаморфизма. Существуют резкие отличия в составе и строении Земной коры континентальных и океанических областей. В последние годы благодаря проведению сейсмических исследований, глубокого бурения и драгирования со специальных кораблей в глубоководных областях океанов были получены интересные и подчас неожиданные сведения о составе пород океанического дна. Здесь в земной коре выделяют три главных слоя (см. рис. 11): первый (верхний) слой осадков со скоростью продольных сейсмических волн до 2 км/с; второй, или вулканический, слой (5,1 км/с) и третий—основной океанический слой (6,7 км/с). Ниже следуют породы верхней мантии; скорость продольных волн в них достигает 8,0—8,2 км/с. Таким образом, в земной коре океанических областей в отличие от континентов отсутствует гранитный слой.

«Первый» слой океанической коры представлен толщей неуплотненных осадков. Прежде предполагалось, что толщина осадочного слоя в океанах должна достигать многих километров. Но в действительности оказалось, что мощность осадков на дне океанов редко превышает несколько километров. Мощность осадочного покрова в пределах океанических равнин составляет в среднем 1 км. А во многих глубоких впадинах Тихого и Индийского океанов и на склонах срединно-океанических хребтов мощность осадков равна 100—200 м и они полностью выклиниваются к гребню хребта.

Толщина «второго» (вулканического) слоя достигает 1—2 км. Представления о его составе основываются на данных изучения образцов пород, поднятых со дна океанов с помощью драгирования и бурения, и на сведениях о составе пород вулканических островов. Главными породами второго слоя являются базальты. В последние годы верхняя часть второго слоя вскрыта под осадочным покровом рядом глубоких скважин; в нескольких местах обнаружено переслаивание базальтов и затвердевших осадков. Базальты выстилают рифтовую долину, слагают срединно-океанические хребты и самые высокие подводные горы в 5—10 км от них, а также вулканические острова в океанах. Шаровая базальтовая лава, долериты, базальтовый туфоконгломерат и брекчия обнаружены в Марианском и Новобританском глубоководных желобах.

«Третий» слой океанической коры толщиной 4,2— 5,0 км выделяется главным образом по геофизическим данным. Отбор образцов пород из него исключительно труден. Драгированием удается отобрать образцы изверженных пород лишь с участков на самом гребне хребта, где отсутствует осадочный покров. Состав слоя различными учеными представляется по-разному. В ряде пунктов, например в рифтовой долине Срединно-Индоокеанского хребта и в зоне Срединно-Атлантического хребта, со дна океана были подняты серпентинизированные перидотиты. Американский ученый Гарри Гесс предположил, что «третий» слой сложен серпентинитами, образовавшимися вследствие метаморфизма ультраосновных пород (перидотитов) верхней мантии в условиях температур ниже 500° С и достаточного притока воды из глубины. Согласно более распространенной гипотезе «третий» слой океанической коры сложен магматическими породами основного состава и соответствует базальтовому слою континентальной коры. Поэтому его иногда также называют «базальтовым», или «океаническим», слоем.

Мантия Земли

 Промежуточная оболочка (мантия) составляет около 2/3 массы Земли. О строении и составе вещества мантии имеются лишь гипотетические предположения. Они основаны на данных геофизических исследований и экспериментального моделирования некоторых процессов, происходящих при высоких давлениях и температурах на глубине.

Ученые не единодушны в объяснении причины резкого изменения плотности на границе земной коры и мантии. По мнению одних, это обусловлено изменением химического состава вещества. Другие предполагают изменение его агрегатного состояния.

В начале XX в. широкое распространение получила оливиновая гипотеза состава мантии. Согласно этой гипотезе на уровне границы Мохоровичича базальтовые породы земной коры сменяются ультраосновными породами верхней мантии, в которых главным минералом является оливин. По мнению К, Буллена и Д. Джекоб-са, верхняя мантия сложена перидотитами; Б. Г. Лутц предполагает гранат-перндотитовый, а В. Вада — дуни-товый состав верхней мантии.

В 1913 г. английский ученый Л. Фермор выдвинул эклогитовую гипотезу состава верхней мантии. Он предположил, что ниже раздела Мохо обычные базальты, характерные для нижней части земной коры, превращаются в эклогит. Эклогит — это горная порода того же химического состава, что и базальт, но в значительной степени метаморфизованная, более плотная и обогащенная гранатом. Экспериментальные работы подтвердили вывод Фермора. Эклогит был получен при давлении более 10—15 тыс. атм и температуре 1000° С.

Советский геохимик С. М. Стишов и американский ученый П. Уилли независимо друг от друга предположили, что базальты земной коры ниже раздела Мохо переходят под континентами в эклогиты, а под океанами сменяются перидотитами.

С океанического дна в рифтовых зонах Срединно-Атлантического и Срединно-Индоокеанского хребтов драгой подняты ультраосновные породы. Их отождествляют с породами верхней мантии. Такие породы, в частности, собраны советскими научно-исследовательскими судами «Витязь» и «Академик Курчатов». Они представлены ду-нитами, перидотитами, хромитами, серпентинитами и гарцбургитамн (разновидность перидотита, состоящая из оливина, ромбического пироксена и примеси хромшпине-лида и магнетита).

В 1914 г. Д. Баррел назвал твердую верхнюю оболочку Земли литосферой (греч. «литое» — камень, «сфера»— шар), а подстилающий ее размягченный слой — астеносферой (греч. «астенос» — слабый). В последние годы обнаружено, что в верхней части мантии на глубине 100—250 км под континентами и 50—400 км под океанами скорость прохождения поперечных сейсмических волн уменьшается на 3—5% (см. рис. 7). В связи с этим ученые считают, что здесь вещество имеет пониженную вязкость (сопротивление перемещению частиц под влиянием приложенной силы) и, возможно, плотность. Зону понижения скорости сейсмических волн выделил в 1926 г. Б. Гутенберг. Она получила название волновода, или астеносферы.

Установлено, что повышение давления увеличивает плотность вещества и обусловливает возрастание скорости сейсмических волн, а при повышении температуры вещество становится менее вязким и скорость прохождения через него сейсмических волн понижается. Исходя из этого ученые предполагают, что вещество астеносферы находится частично в расплавленном состоянии.

Твердая литосфера разбита огромными трещинами — разломами на крупные блоки. Они благодаря малой вязкости астеносферы находятся в состоянии изостатического равновесия.

Ядро Земли

Ядро занимает 16% объема и составляет 7з массы Земли. Оно сжато у полюсов на 10 км. На границе мантии и ядра происходит скачкообразное понижение скорости продольных волн с 13,6 до 8,1 км/с. Поперечные волны земное ядро через себя не пропускает. В связи с этим предполагается, что вещество здесь находится в расплавленном состоянии. Однако поскольку оно существует в условиях высокой температуры и под колоссальным давлением (более чем в миллион раз превышающим атмосферное), его поведение отлично от поведения жидкости на поверхности Земли. Ниже границы мантии и ядра скорость распространения продольных сейсмических волн затем вновь постепенно нарастает до 10,2 км/с, а на глубине 5080 км скорость скачкообразно возрастает до 11 км/с и потом до центра Земли почти не изменяется (см. рис. 9). На этом основании предполагают, что с глубины 5080 км вещество внутри ядра вновь приобретает свойства твердого тела, и выделяют твердое внутреннее «ядрышко» с радиусом 1290 км.

Относительно состава вещества ядра существуют различные точки зрения. Еще в 1873 г. Дж. Дэна выдвинул гипотезу о том, что Земля состоит из метеоритного вещества. Предполагалось, что в Земле, как в огромной доменной печи, расплавленное железо опускается вниз и образует жидкое железо-никелевое ядро. В годы господства гипотезы Канта—Лапласа эти представления были широко распространены; их поддерживал, в частности, великий русский ученый-химик Д. И. Менделеев.

В последнее время проведены экспериментальные лабораторные исследования с целью выяснения зависимости возрастания плотности железа от увеличения давления. Полученные данные сопоставили с теоретически вычисленной зависимостью плотности земного вещества от изменения давления на глубинах, соответствующих ядру Земли. Оказалось, что вещество ядра по своим свойствам с точностью до 10% соответствует свойствам железа. По мнению авторов эксперимента, это указывает на то, что земное ядро состоит в основном из железа. Предполагается, что в железном ядре содержится небольшая примесь легких элементов — кремния и, возможно, серы.

Идею о железном или железо-никелевом ядре отвер гает крупнейший русский геохимик академик В. И. Вернадский.

В 1939 г. советский ученый В. Н. Лодочников, а затем В. Рамзей предположили, что ядро состоит из металлизированных силикатов. Согласно этой гипотезе мантия и ядро сложены одним и тем же силикатным веществом. Но на границе мантии с ядром под воздействием огромного давления это вещество переходит в новое физическое состояние. Его плотность возрастает вдвое. При этом ядра атомов силикатов сближаются и приобретают свойства металлов.

Существует и третья гипотеза. Она допускает, что внутреннее «ядрышко» может состоять из железа и никеля, а внешнее ядро представлено металлизированными силикатами.

Скачкообразное уменьшение скорости сейсмических волн на границе мантии и ядра объясняется некоторыми учеными более высоким содержанием водорода в ядре, чем в мантии. Допускается, что заметные количества водорода остались в ядре от первичного вещества Земли. По мнению японского ученого А. Масуда, в земном ядре находится основная масса свинца Земли.

В настоящее время ни одна из указанных гипотез не является общепризнанной.