4. Строение земной коры и верхней мантии. Методы изучения.
Было установлено общее внутреннее строение земного шара, поверхность которого покрывает тоненькая, но чрезвычайно важная «пленка», называемая земной корой, имеющей в среднем мощность около 40 км и составляющей всего лишь 1/160 от радиуса Земли. Земная кора вместе с частью верхней мантии до астеносферного слоя называется литосферой, а литосфера, вместе с астеносферой образует тектоносферу, верхнюю оболочку земного шара во многом ответственную за процессы, происходящие в земной коре. Строение земной коры, мощность которой изменяется практически от 0 до 70-75 км и повсеместно имеет четкую нижнюю границу – поверхность Мохоровичича или «М», принципиально отличается на континентах и в океанах.
Сведения о коре мы получаем от непосредственного наблюдения пород на поверхности Земли, особенно на щитах древних платформ, из керна глубоких и сверхглубоких скважин, как на суше, так и в океанах; ксенолитов в вулканических породах; драгированием океанского дна и сейсмических исследований, дающих наиболее важную информацию о глубоких горизонтах земной коры. Океаническая кора обладает 3-х слойным строением (сверху вниз) (рис. 2.7.1):
1-й слой представлен осадочными породами, в глубоководных котловинах не превышающей в мощности 1 км и до 15 км вблизи континентов.
Рис. 2.7.1. Схемы строения земной коры. I – континентальная кора, слои: 1 – осадочный, 2– гранитно-метаморфический, 3 – гранулито-базитовый, 4 – перидотиты верхней мантии.II – океаническая кора, слои: 1 – осадочный, 2 – базальтовых подушечных лав, 3 –комплекса параллельных даек, 4 – габбро, 5 – перидотиты верхней мантии. М – граница Мохоровичича.Породы представлены карбонатными, глинистыми и кремнистыми породами. Важно подчеркнуть, что нигде в океанах возраст осадков не превышает 170-180 млн. лет.
2-й слой сложен, в основном, базальтовыми пиллоу (подушечными) лавами, с тонкими прослоями осадочных пород. В нижней части этого слоя располагается своеобразный комплекс параллельных даек базальтового состава, служившим подводящими каналами для подушечных лав.
3-й слой представлен кристаллическими магматическими породами, главным образом, основного состава – габбро и реже ультраосновного, располагающимся в нижней части слоя, глубже которого располагается поверхность М и верхняя мантия. Очень важно подчеркнуть, что кора океанического типа развита не только в океанах и глубоководных впадинах внутренних морей, но встречается также и в складчатых поясах на суше в виде фрагментов пород офиолитовой ассоциации, парагенезис (сонохождение) которых (кремнистые породы – базальтовые лавы – основные и ультраосновные породы) был впервые выделен в 20-х годах ХХ в. Г.Штейнманом в Лигурийских Альпах на СЗ Италии.
Рис. 2.7.2. Строение океанической земной коры.
Континентальная земная кора также имеет 3-х членное строение, но структура ее иная (сверху вниз):
1-й осадочно-вулканогенный слой обладает мощностью от 0 на щитах платформ до 25 км в глубоких впадинах, например, в Прикаспийской. Возраст осадочного слоя колеблется от раннего протерозоя до четвертичного.
2-й слой образован различными метаморфическими породами: кристаллическими сланцами и гнейсами, а также гранитными интрузиями. Мощность слоя изменятся от 15 до 30 км в различных структурах.
3-й слой, образующий нижнюю кору, сложен сильно метаморфизованными породами, в составе которых преобладают основные породы. Поэтому он называется гранулито-базитовым. Частично он был вскрыт Кольской сверхглубокой скважиной.
Нижняя кора обладает изменчивой мощностью в 10-30 км. Граница раздела между 2-ым и 3-м слоем континентальной коры нечеткая, в связи с чем иногда в консолидированной части коры (ниже осадочного слоя) выделяют 3, а не 2 слоя. Поверхность М выражена повсеместно и достаточно четко скачком скоростей сейсмических волн от 7,5 – 7,7 до 7,9 – 8,2 км/с. Верхняя мантия в составе нижней части литосферы сложена ультраосновными породами, в основном, перидотитами, как, впрочем, и астеносфера, характеризующаяся пониженной скоротью сейсмических волн, что интерпретируется как пониженная вязкость и, возможно, плавление до 2-3%.
Строение мантии. Более или менее достоверные данные, хотя и косвенные, имеются лишь для верхней части мантии. К ним относятся: 1) выходы в отдельных местах на поверхность интрузивных магматических ультраосновных горных пород, главным образом перидотитов; 2) состав пород, заполняющих алмазоносные трубки, где наряду с перидотитами, содержащими гранаты, встречаются включения высокометаморфизованных пород, называемых эклогитами, близкими по составу основной глубинной магматической породе габбро, но отличающимися от нее значительной плотностью (3,35-4,2 г/см3). Последнее свидетельствует о том, что они могли формироваться только при больших давлениях. По данным петрологов (А.А. Маракушева и др.), алмазоносные породы образуются в ходе сложной и длительной эволюции магмы, кристаллизация которой начиналась в глубинных мантийных очагах (около 150-200 км), продолжалась и завершалась при внедрении их в земную кору. Алмаз формируется на наиболее ранней стадии магматической кристаллизации. Таким образом, по данным непосредственного изучения интрузивных тел, пород, заполняющих алмазоносные трубки, а также экспериментальных исследований, принимается, что слой В верхней мантии состоит главным образом из ультраосновных пород типа перидотитов с гранатом. Такую мантийную породу А. Е. Рингвуд в 1962 г. назвал пиролитом (по корням названных минералов) или пироксеново-оливиновой. Встречающиеся в алмазоносных трубках включения эклогитов, по-видимому, имеют подчиненное значение и захвачены в процессе взрыва. По данным В. Н. Жаркова, основанным на петрохимических исследованиях, вещество пиролитового состава до глубин 350-400 км должно кристаллизоваться в форме минеральной ассоциации, содержащей в определенных соотношениях оливин, пироксен и гранат. При этом устойчивая минеральная ассоциация пиролитового состава в процентах выглядит следующим образом: оливин - 57, ортопироксен - 17, клинопироксен - 12, гранаты - 14. В этих минералах кремний находится в четверной координации, а магний, железо и кальций - в шестерной и восьмерной. Молекулярное отношение Fe/(Fe+Mg) в пиролите составляет 11%.
Для изучения строения земной коры применяются косвенные геохимические и геофизические методы, но непосредственные данные можно получить в результате глубинного бурения.