Строение Земли и литосферные плиты

Разумный первый вопрос: если самая глубокая скважина в мире — Кольская сверхглубокая, пробурённая на 12 262 метра, то есть на одну пятисотую часть радиуса планеты, — откуда учёные знают про ядро на глубине почти в три тысячи километров?

Ответ: по землетрясениям. Каждое сильное землетрясение посылает сквозь планету сейсмические волны, и по тому, где и когда они выходят на поверхность, восстанавливают строение недр — примерно так же, как врач видит внутренности по отражённому ультразвуку.

Волны бывают двух видов. Продольные (волны сжатия) проходят через любое вещество — и твёрдое, и жидкое. Поперечные (волны сдвига) распространяются только в твёрдом теле: жидкость сдвиг не держит. И вот ключевое наблюдение: поперечные волны, идущие сквозь Землю, не доходят до противоположной стороны планеты. Значит, где-то внутри есть слой, который они пройти не могут, — жидкое внешнее ядро. А по тому, как волны преломляются глубже, обнаружили, что в самом центре вещество снова ведёт себя как твёрдое: внутреннее ядро затвердело под чудовищным давлением, несмотря на температуру в тысячи градусов.

Второе доказательство — плотность. Средняя плотность Земли примерно 5,5 г/см³, а плотность горных пород на поверхности — около 2,7. Значит, в глубине вещество вдвое тяжелее поверхностного: это тяжёлые металлы, прежде всего железо и никель.

Вот почему картинка со слоями в учебнике — не фантазия художника, а результат измерений. Кольская скважина, кстати, даже не вышла за пределы земной коры: она прошла её лишь на треть.

Ядро занимает центральную часть планеты, его радиус около 3500 км. Внешнее ядро жидкое, внутреннее твёрдое, состав — преимущественно железо с никелем, температура оценивается в 5000–6000 °C. Движение расплавленного железа во внешнем ядре создаёт магнитное поле Земли — то самое, благодаря которому работает компас и которое отклоняет солнечный ветер, защищая атмосферу.

Мантия простирается примерно до глубины 2900 км и составляет около 83 % объёма планеты. Вещество мантии твёрдое, но при высоких температурах и давлениях способно очень медленно течь, как смола. Верхняя, наиболее пластичная часть называется астеносферой — именно по ней «плавают» плиты.

Земная кора — тончайшая наружная оболочка. Граница между корой и мантией обнаруживается по резкому скачку скорости сейсмических волн.

Литосфера — это земная кора вместе с верхней твёрдой частью мантии. Различать литосферу и кору необходимо: именно литосфера разбита на плиты, и именно её куски движутся.

Аналогия для масштаба: если Землю уменьшить до размеров куриного яйца, земная кора окажется тоньше скорлупы. Всё, что мы называем горами и впадинами, — неровности на этой скорлупе: разница между Джомолунгмой (8848 м) и Марианской впадиной (около 11 000 м) составляет менее 20 км при радиусе планеты 6371 км.

Кора бывает двух принципиально разных типов, и различие объясняет саму форму планеты.

Материковая (континентальная) кора имеет мощность 35–75 км: под равнинами около 35–40 км, под высокими горами до 70–75 км. Она трёхслойная: осадочный слой, гранитный слой, базальтовый слой. Гранит лёгкий, поэтому вся материковая кора относительно лёгкая.

Океаническая кора имеет мощность всего 5–10 км и состоит из двух слоёв — тонкого осадочного и базальтового. Гранитного слоя в ней нет, и она заметно тяжелее материковой.

Отсюда главное следствие: лёгкая материковая кора «плавает» в мантии выше, а тяжёлая океаническая глубже погружена. Поэтому материки возвышаются, а океанические впадины лежат ниже — не потому, что кто-то выкопал океан, а потому, что разная кора по-разному погружена в мантию. Этот принцип равновесия называется изостазией.

Изостазия объясняет и другие вещи. Под горами кора утолщается вниз, образуя «корень», — как айсберг, у которого подводная часть больше надводной. Когда со Скандинавии сошёл ледник весом в километры льда, освободившаяся кора начала подниматься, и поднимается до сих пор со скоростью около сантиметра в год: Ботнический залив медленно мелеет.

Экзаменационная примета: если в задании речь про гранитный слой, толщину в десятки километров и материк — это материковая кора; если про 5–10 км, базальты и отсутствие гранита — океаническая.

Литосферные плиты — крупные жёсткие блоки литосферы, «плавающие» на пластичной астеносфере. Крупнейших семь: Евразийская, Северо-Американская, Южно-Американская, Африканская, Индо-Австралийская, Антарктическая и Тихоокеанская; есть и более мелкие, например плита Наска у берегов Южной Америки.

Что их двигает: медленные конвективные потоки в мантии. Разогретое снизу вещество поднимается, растекается под литосферой и, остыв, опускается — плиты едут на этих потоках, как коврик на медленно текущей воде. Скорость — от 1 до 10 см в год, то есть примерно со скоростью роста ногтей. За миллион лет это уже десятки километров, а за сотни миллионов — перестройка облика планеты.

Всё интересное происходит на границах, и типов границ четыре.

Расхождение (раздвигание). Плиты расходятся, из мантии поднимается магма и застывает, наращивая новую океаническую кору. Так образуются срединно-океанические хребты — величайшая горная система планеты, протянувшаяся через все океаны более чем на 60 тысяч километров. Над водой она выходит только в Исландии.

Столкновение «океан плюс материк». Тяжёлая океаническая плита подныривает под лёгкую материковую — этот процесс называется субдукцией. У места погружения образуется глубоководный жёлоб, а на краю материка вырастает вулканический горный пояс. Так устроены Анды и Курило-Камчатская дуга.

Столкновение «материк плюс материк». Ни одна плита не может утонуть, обе лёгкие, поэтому кора сминается в складки и растёт вверх. Так возникли Гималаи: около 50 млн лет назад Индостан врезался в Евразию и продолжает вдавливаться до сих пор, отчего Гималаи растут на несколько миллиметров в год.

Скольжение (сдвиг). Плиты трутся боками. Классический пример — разлом Сан-Андреас в Калифорнии, дающий сильные землетрясения без вулканов.

Связка границы плит → сейсмичность и вулканизм — один из самых частых сюжетов экзамена, и её стоит понимать, а не заучивать.

В середине плиты кора движется целиком, напряжений не возникает. На границе плиты давят или трутся друг о друга, породы накапливают напряжение, а когда предел прочности превышен, происходит резкий сдвиг — землетрясение. Там же, где одна плита уходит вниз, погружающаяся кора разогревается, из неё выделяются вода и летучие вещества, и вышележащая мантия начинает плавиться. Расплав поднимается — так рождаются вулканы.

Отсюда география сейсмических поясов.

Тихоокеанское огненное кольцо окаймляет Тихий океан: Камчатка, Курилы, Япония, Филиппины, Индонезия, Новая Зеландия, Анды, Кордильеры, Аляска. Здесь происходит около 80 % землетрясений планеты и находится большинство действующих вулканов.

Альпийско-Гималайский пояс тянется от Средиземноморья через Кавказ, Иран, Памир к Гималаям и дальше в Индонезию. Это зона столкновения материковых плит.

Срединно-Атлантический хребет — зона расхождения; землетрясения тут частые, но слабые и неглубокие.

Практический вывод для России: сейсмоопасные районы — Камчатка, Курилы, Сахалин, Кавказ, Алтай, Прибайкалье. Восточно-Европейская и Западно-Сибирская равнины лежат в середине плиты, на древних платформах, и там сильных землетрясений не бывает. Именно поэтому атомные станции и крупные плотины в стране строят на платформах, а на Камчатке рассчитывают здания на толчки.

Это самая полезная связка всей темы, потому что через неё решаются задания линии 5.

Платформа — древний устойчивый участок земной коры, давно переживший горообразование. Она двухэтажная: внизу смятый в складки кристаллический фундамент, сверху горизонтально лежащий осадочный чехол. Там, где фундамент выходит на поверхность, говорят о щите (например, Балтийский и Алданский щиты). Платформам в рельефе соответствуют равнины: Восточно-Европейская, Западно-Сибирская, Среднесибирское плоскогорье.

Складчатый пояс — подвижный участок, где кора сминается и растёт. Складчатым поясам соответствуют горы, но их облик зависит от возраста складчатости.

Древняя складчатость (палеозойская — байкальская, каледонская, герцинская) дала горы, которые миллионы лет разрушались внешними силами: они невысокие, с округлыми вершинами. Примеры: Урал (герцинская складчатость, высшая точка гора Народная 1895 м), Аппалачи, Скандинавские горы.

Новая (кайнозойская, альпийская) складчатость дала высокие молодые горы с острыми вершинами и ледниками: Гималаи, Альпы, Кавказ, Анды, Кордильеры. Разрушить их внешние силы ещё не успели, к тому же они продолжают расти.

Правило для задания 5: платформа → равнина, древняя складчатость → невысокие разрушенные горы, новая складчатость → высокие молодые горы, граница плит → вулканы и землетрясения. Работает почти без исключений.

Сегодня движение плит кажется очевидным, но путь к этой мысли занял полвека и хорошо показывает, как работает наука.

В 1912 году немецкий учёный, метеоролог по образованию, обратил внимание на то, что очертания берегов Южной Америки и Африки складываются друг с другом, как куски разорванной газеты. Он собрал доказательства: одинаковые ископаемые организмы по обе стороны Атлантики, продолжение одних и тех же геологических структур с одного материка на другой, следы древних оледенений в нынешних тропиках. Вывод: когда-то существовал единый материк — его назвали Пангея, — а затем он раскололся.

Гипотезу отвергли, и по разумной причине: автор не мог объяснить, какая сила двигает материки. Все предложенные тогда механизмы физика отвергала как слишком слабые.

Поворот произошёл в 1950–1960-е годы, когда исследовали дно океанов. Обнаружили срединно-океанические хребты, а главное — заметили, что возраст дна растёт по мере удаления от хребта симметрично в обе стороны, и что полосы намагниченности пород повторяют смены магнитного поля Земли одинаково справа и слева. Это доказывало: у хребта рождается новая кора, которая раздвигается в стороны. Нашлась и сила — конвекция в мантии.

Так родилась современная теория литосферных плит. Мораль, которую стоит унести с собой: идея может быть верной, но не принятой, пока не назван механизм. То же требование предъявляет и экзамен: назвать явление мало, нужно объяснить, как оно работает.

Больше двух третей поверхности планеты скрыто под водой, и рельеф этой части устроен закономерно. Его знание пригодится и в теме литосферы, и в теме океанов.

Шельф (материковая отмель) — подводное продолжение материка глубиной до 200 м. Это затопленная часть материковой коры, поэтому именно на шельфе находят нефть и газ, и именно там сосредоточена основная масса промысловых рыб: мелководье хорошо прогревается и освещается. У России самый широкий в мире шельф — в Северном Ледовитом океане.

Материковый склон — резкий уступ от 200 до 2000–3000 м, где материковая кора сменяется океанической.

Ложе океана — обширные равнины на глубине 4000–6000 м, покрытые слоем донных осадков.

Срединно-океанические хребты — подводные горные системы в зонах раздвигания плит; общая длина более 60 тысяч километров. Вдоль их оси проходит рифтовая долина — трещина, из которой изливается базальт.

Глубоководные жёлоба — узкие впадины в зонах субдукции, где океаническая плита уходит под материковую или под другую океаническую. Здесь находятся все глубочайшие точки планеты: Марианский жёлоб около 11 000 м.

Связка для экзамена: хребет — это расхождение плит, жёлоб — их столкновение. Если в задании рядом с жёлобом упомянуты вулканы и острова-дуги, речь точно о субдукции.

Самая глубокая скважина в истории — Кольская сверхглубокая, пробуренная на Кольском полуострове; она прошла чуть больше 12 километров, то есть не преодолела даже земной коры. Всё, что мы знаем о более глубоких оболочках, получено косвенно — по сейсмическим волнам.

Механизм. Землетрясение рождает волны двух родов. Продольные (их обозначают латинской буквой P) — волны сжатия, они идут через любую среду, в том числе через жидкость. Поперечные (S) — волны сдвига, и они через жидкость не проходят вовсе, потому что жидкость не сопротивляется сдвигу. Скорость и тех и других зависит от плотности и упругости вещества. Значит, сеть сейсмических станций по всему миру — это готовый «просвечивающий аппарат»: по тому, когда и куда пришли волны, восстанавливают строение недр.

1909 год. Хорватский сейсмолог Андрия Мохоровичич, разбирая записи землетрясения под Загребом, заметил, что от одного толчка на станции пришли два набора волн: одни прямые, другие — быстрее, будто прошли по более плотной среде и преломились. Вывод: на глубине есть резкая граница, ниже которой скорость волн скачком возрастает. Это граница Мохоровичича, нижняя граница земной коры. Под океанами она лежит на глубине 5–10 км, под материками — 30–40 км, под горами до 70 км.

1914 год. Немец Бено Гутенберг показал, что на глубине около 2900 км поперечные волны исчезают — на поверхности планеты есть «теневая зона», куда они не приходят вовсе. Значит, внешнее ядро жидкое.

1936 год. Датчанка Инге Леман заметила слабые волны, всё-таки добиравшиеся до теневой зоны, и объяснила их отражением от ещё одной границы: внутри жидкого ядра есть твёрдое внутреннее ядро.

Вывод. Схема строения Земли в учебнике — не догадка, а результат трёх расшифровок сейсмограмм, у каждой из которых есть автор и дата.

Гипотезу о движении материков Альфред Вегенер выдвинул ещё в 1912 году, но полвека её отвергали: очертания берегов и одинаковые окаменелости по обе стороны Атлантики впечатляли, а вот механизма — силы, способной двигать материки, — Вегенер предложить не смог.

Развязка пришла с морского дна. В 1962 году американский геолог Гарри Хесс предположил: срединно-океанические хребты — это трещины, из которых непрерывно поднимается вещество мантии; оно застывает, образуя новую кору, и раздвигает старую в обе стороны. Процесс назвали спредингом.

Как это доказали. Ключ дал магнетизм. Остывающая лава «запоминает» направление магнитного поля Земли, а поле за геологическую историю многократно меняло полярность — север и юг менялись местами. Если дно действительно раздвигается, то по обе стороны хребта должны лежать симметричные полосы пород с чередующейся намагниченностью — как две одинаковые магнитофонные ленты, разматывающиеся в разные стороны.

В 1963 году британцы Фредерик Вайн и Драммонд Мэтьюз опубликовали именно такую картину по данным магнитной съёмки над хребтом в Индийском океане. Полосы оказались симметричными, а их ширина соответствовала известным по другим данным срокам смены полярности. Спор был закончен: материки не «плывут по океанической коре», как думал Вегенер, а едут вместе с плитами, которые рождаются в хребтах и поглощаются в глубоководных жёлобах.

Отсюда важное следствие для карты. Дно океана молодое: нигде не старше примерно 180 млн лет, потому что оно постоянно обновляется. Породы материков при этом достигают возраста в 4 млрд лет. Океан — самая молодая часть поверхности планеты, хотя выглядит самой древней.

Большинство вулканов сидит на границах плит. Но есть исключения, и они оказались удобнейшим измерительным прибором.

Гавайские острова лежат посреди Тихоокеанской плиты, за тысячи километров от любой её границы. В 1963 году канадский геофизик Джон Тузо Уилсон объяснил это так: в мантии существует неподвижный восходящий поток разогретого вещества — «горячая точка». Плита ползёт над ним, как лист бумаги над свечой, и поток прожигает в ней вулкан за вулканом.

Что из этого следует. Пока участок плиты стоит над точкой, вулкан действует и растёт. Плита уезжает — вулкан отрывается от питания, гаснет, разрушается волнами и постепенно оседает. Значит, цепочка островов должна закономерно стареть в одну сторону.

Так и оказалось: на юго-восточном краю цепи стоит действующий вулкан Килауэа, следующие острова старше, дальше идут потухшие, разрушенные до уровня моря подводные горы, и цепь тянется на тысячи километров, поворачивая под углом — поворот отмечает момент, когда движение плиты сменило направление.

Как это считают. Разделив расстояние между двумя вулканами на разницу их возрастов, получают скорость движения плиты: для Тихоокеанской это порядка 7–10 см в год. Именно такие задачи и встречаются в заданиях: «найдите, на сколько сместилась плита за N млн лет» — умножение скорости на время, с переводом сантиметров в километры.

Второй знаменитый пример горячей точки — Исландия, где горячая точка совпала со срединным хребтом, отчего остров поднялся над водой. И третий — Йеллоустон, где след горячей точки протянулся через северо-запад Северной Америки.

В новостях говорят «землетрясение силой 7 баллов», и в этой фразе смешаны две разные величины. Различать их обязательно: они отвечают на разные вопросы.

Магнитуда отвечает на вопрос «сколько энергии выделилось в очаге». Шкалу предложил в 1935 году американский сейсмолог Чарльз Рихтер: он взял логарифм максимального размаха колебаний на сейсмограмме, приведённый к стандартному расстоянию. Логарифм означает, что рост магнитуды на единицу — это рост амплитуды колебаний в 10 раз, а выделенной энергии примерно в 32 раза. Поэтому магнитуда 8 — не «чуть сильнее» семёрки, а сильнее почти в тридцать раз. У магнитуды одно значение на одно землетрясение, где бы его ни измеряли, и она не имеет баллов.

Интенсивность отвечает на вопрос «что почувствовали и что разрушилось в данной точке». Её измеряют в баллах по двенадцатибалльной шкале (у нас применяют шкалу, восходящую к шкале Медведева — Шпонхойера — Карника). Интенсивность у одного и того же землетрясения разная в разных местах: над очагом максимальная, за сотни километров — неощутимая.

Что влияет на интенсивность, кроме магнитуды. Глубина очага: мелкофокусное землетрясение умеренной магнитуды разрушительнее глубокого сильного. Грунт: на рыхлых водонасыщенных отложениях колебания усиливаются и может наступить разжижение грунта, когда здание уходит в землю целиком; на скальном основании ущерб меньше. Застройка: в сейсмических районах строят каркасные здания, способные качаться, и потому равные по силе толчки в разных странах дают несопоставимое число жертв.

Как это спрашивают. «Почему землетрясение одинаковой магнитуды в одной стране унесло десятки жизней, а в другой — десятки тысяч» — ответ не в геологии, а в глубине очага, грунтах и строительных нормах.