Литосфера

Литосфера — это твердая оболочка оболочки Земли, которая начинается в верхнем слое мантии и заканчивается в верхнем слое земной коры. Само понятие литосферы происходит из греческого языка и дословно переводится как «каменная сфера». Несмотря на твердую структуру, эта оболочка очень подвижна.

Именно формирование литосферы запустило в далеком прошлом вулканическую активность, поспособствовало возникновению континентов и внесло значительный вклад в развитие экосистем. В этой статье мы разберем строение литосферы, тектонику литосферных плит, а также поговорим о влиянии человека на твердую оболочку земли.

История открытия литосферы

Гипотеза о существовании литосферы появилась не так давно. В 1911 году британский математик Огастес Эдвард Хаф Лав опубликовал монографию «Некоторые проблемы геодинамики». В ней он объяснил поверхностные акустические волны с горизонтальной поляризацией тем, что у Земли есть верхний твердый и нижний пластичный слой. Спустя несколько лет американский геолог Джозеф Баррелл ввел термин литосфера, однако ошибочно предположил, что она имеет однородную структуру.

Значительный вклад в формирование современных знаний о верхней оболочке Земли внес канадский ученый Реджиналд Олдуорт Дейли. Именно он в 1940 году разработал полноценную теорию тектоники плит (движения литосферы) и дрейфа континентов. Благодаря открытию в 1960-х процесса растяжения морского дна эта теория была доказана экспериментально и принята в мировом научном сообществе.

Общая характеристика литосферы

Сегодняшние ученые достаточно хорошо осведомлены о том, что такое литосфера. Это внешняя оболочка планеты толщиной от 5 до 100 километров, которая состоит преимущественно из горных и вулканических пород. Выделяют океаническую и континентальную литосферу (кору).

• Океаническая кора относительно тонка и располагается не глубже 10 километров под дном океанов. Она имеет плотность 3,3 г/см3 и состоит из 2 слоев пород (базальтового и осадочного). Полностью обновляется каждые 100-200 млн лет.
• Континентальная кора достигает максимальной глубины 100 километров и имеет более низкую плотность — 3 г/см3. При этом она включает сразу 3 слоя пород (базальтовый, гранитный и осадочный). Процесс обновления континентальной коры протекает очень медленно — некоторые найденные геологами образцы имеют возраст более 4 млрд лет, то есть сформировались почти одновременно с нашей планетой.

На ранних этапах истории Земли ее литосфера имела цельную структуру, однако тектонические процессы привели к разделению пород на плиты.

Структура литосферы

Земная кора

Толщина земной коры распределена неравномерно, в среднем она составляет около 40 километров. Формально именно она является внешней твердой оболочкой Земли. Это настолько тонкий слой, что его масса составляет всего около 1% относительно общей массы планеты. На поверхности средняя температура коры равна 15 °C, однако по мере продвижения вниз этот показатель растет и достигает 100 °C.

Важно отметить, что кора сформировалась не сразу. На ранних этапах эволюции Земля представляла собой огромный магматический океан. Застывающие образования подвергались непрерывной бомбардировке космических объектов, которые обеспечили разнообразие минералов и различных пород.

Слои пород

• Базальтовый — нижний слой. Высокая вулканическая активность стала причиной плавления кремнийсодержащих минералов, в результате чего образовались базальт и похожие по структуре материалы.
• Гранитный — средний слой. Присутствует только в континентальной коре, располагаясь между базальтовым и осадочным слоем. Как понятно из названия, по большей части он состоит из гранита. Также в его состав входят метаморфические горные породы, сформированные под воздействием высокого давления и температуры.
• Осадочный — верхний слой. Среди всех планет земной группы данный тип коры обнаружен только на Земле. Вследствие магматических процессов и эрозии в недрах нашей планеты сформировались осадочные отложения. Благодаря слоистой структуре они позволяют изучать историю изменения состава Земли. К осадочным породам относятся в том числе песок, минеральные соли и некоторые полезные ископаемые (уголь, нефть, известняк).

Верхняя мантия

Изначально считалось, что литосфера включает в себя только земную кору, однако позднее было установлено, что верхняя часть мантии также имеет твердую структуру. Если точнее, вещество здесь имеет пониженную вязкость из-за недостаточно высокой для плавления температуры — около 500 °C. В составе этого слоя преобладают кремний, алюминий, железо, кальций, марганец и кислород.

Литосферная мантия отделена от коры границей Мохоро́вичича (границей Мохо). Свое название она получила в честь своего первооткрывателя хорватского геофизика и сейсмолога Андрия Мохоровичича. В этой области наблюдается резкое увеличение скорости сейсмических волн, что свидетельствует о повышении плотности вещества.

На глубине более 100 километров под поверхностью Земли начинается астеносфера. Здесь вещество переходит в более пластичное состояние, что обеспечивает возможность для движения литосферных плит. На глубине около 200 километров начинается переходная зона между верхней и нижней мантией.

Движение литосферы

Литосфера Земли неоднородна — она состоит из крупных массивных блоков, которые называют литосферными или тектоническими, плитами. В зависимости от методов определения выделяют от 7 до 15 плит, которые покрывают 90% поверхности Земли. Крупнейшей из них является Тихоокеанская — она имеет площадь 130 млн км² и движется со скоростью около 5 сантиметров в год. Второй по величине является Северо-Американская плита, которая охватывает всю Северную Америку, часть Якутии, Японии, Атлантического и Северного Ледовитого океанов. Менее массивные плиты могут двигаться быстрее и достигать скорости 10 сантиметров в год.

Тектоника плит обусловлена выделением тепловой энергии, которая поступает из нижней мантии. Эффект конвекции (перемешивания теплоты) и разница в плотности между астеносферой и литосферой приводят к тому, что разогретые части породы стремятся подняться наверх, тогда как остывшие — погрузиться в нижние слои. Это приводит к возникновению конвекционных ячеек, то есть горизонтальной циркуляции пород.

Процессы на границах литосферных плит

Постоянное движение литосферных плит приводит к тому, что их траектории время от времени пересекаются. В зависимости от форм, физических характеристик и направлений движения плит на их границах происходят определенные процессы, которые можно разделить на несколько типов.

• Расхождение (границы растяжения). Когда 2 расположенные рядом плиты начинают удаляться друг от друга, в океанах образуются новые бассейны и обновляется кора. На суше расхождение плит приводит к формированию рифтов. Это крупные разломы, которые со временем заполняются водой или осадочными породами.
• Субдукция (конвергентные границы). Если 2 плиты движутся навстречу друг другу, они сталкиваются и образуют зоны субдукции, когда одна плита уходит под поверхность другой. В результате на поверхности происходят мощные землетрясения и образуются вулканы. Частным случаем субдукции является процесс столкновения континентов, который затягивается на десятки миллионов лет и сопровождается образованием горных хребтов.
• Скольжение (консервативные границы). Иногда литосферные плиты сталкиваются по касательной и начинают совместное движение в одном или противоположных направлениях. Границы между ними называют трансформными разломами, в которых меняется рельеф, но земная кора сохраняет целостность своей структуры. Образование трансформного разлома сопровождается мощными землетрясениями.

Движение литосферных плит и связанные с ними катаклизмы – одна из любимых тем писателей-фантастов. Открытие тектонических процессов вдохнуло новую жизнь в легенды об Атлантиде — загадочном континенте, некогда якобы существовавшем на месте нынешнего Атлантического океана. В 1975 году Индианский университет даже организовал публичное обсуждение этой темы, к которому привлек ведущих геологов страны, допустивших возможность существования Атлантиды. Однако более поздние исследования тектоники плит показали, что данных для научного обоснования этих легенд все-таки недостаточно.

Влияние человека на литосферу

В последние столетия человечество начало оказывать все более заметное влияние на литосферу, а именно — на земную кору. Самые разные аспекты нашей деятельности запускают негативные процессы, которые порой приводят к катастрофичным последствиям. Рассмотрим основные факторы влияния человека на литосферу:

• Сельское хозяйство. Чрезмерное использование удобрений и неконтролируемый выпас скота приводят к загрязнению почвы, ускорению эрозии и сокращению питательных веществ. В результате почва деградирует и становится непригодной для выращивания культур. Еще одной распространенной причиной эрозии почвы является массовая вырубка лесов;

• Добыча полезных ископаемых. Вследствие выемки больших массивов земли при строительстве карьеров и шахт образуются карстовые воронки, происходят обрушения грунта. Все это приводит к загрязнению подземных источников воды. А, например, бурение нефтяных скважин приводит к высвобождению химических веществ, которые распространяются на большие расстояния и становятся причиной различных заболеваний у людей;

• Промышленное строительство. Цемент, тяжелые металлы и нефтепродукты загрязняют почву, снижая биоразнообразие. Из-за неоднородности земной коры неправильный выбор мест для строительства приводит в будущем к обрушениям зданий, дорог, мостов и тоннелей.

Интересные факты о литосфере

• Точный состав литосферы до сих пор неизвестен. Большинство данных было получено благодаря анализу сейсмических волн.
• В течение последних 30 млн лет в Калифорнии формируется трансформный разлом — Сан Андреас. В 1906 году после особенно мощных землетрясений исследователи обнаружили, что многие дороги были «разрезаны» на 2 части.

• В результате столкновения Евразийской и Индийской плиты около 40 млн лет назад сформировались Гималаи, протяженность которых составляет почти 3 000 километров.
• По прогнозам геологов, через 300 млн лет на Земле сформируется единый суперконтинент, омываемый 2 океанами.

***

Хотя литосфера является скрытой от нашего взгляда оболочкой, в масштабах планеты она имеет огромное значение. Геологические процессы, высвобождая тепловую энергию, влияют на изменение климата и поддерживают стабильность экосистем. От расположения континентов зависит биологическое разнообразие и распределение природных ресурсов. Понимание тектонических процессов помогает людям прогнозировать землетрясения и извержения вулканов с постоянно возрастающей точностью. Литосфера — это основа нашей Земли, которую необходимо беречь для обеспечения устойчивого будущего.

Изображение на обложке: JSC/NASA