Земная кора — это внешняя твердая оболочка нашей планеты. Интуитивно мы часто воспринимаем ее как глубокий слой горных пород. Однако на самом деле глубина земной коры составляет всего лишь несколько десятых долей процента от радиуса Земли.
Кора — единственная часть планеты, доступная человечеству для прямого изучения. Именно в ней содержатся все полезные ископаемые, на протяжении тысячелетий определяющие развитие человеческой цивилизации. В этой статье мы поговорим о главных характеристиках земной коры, вспомним историю ее формирования и эволюции, а также расскажем о современных исследованиях и экологических рисках, связанных с земной корой.
Строение земной коры
Вместе с верхней частью мантии земная кора определяет состав литосферы — твердой оболочки нашей планеты. При этом она включает в себя целый ряд очень неоднородных и различных по своим характеристикам участков. Глубокие впадины океанов сменяются массивами континентов, на которых, в свою очередь, тянутся многочисленные горные цепочки. Эта неоднородность является ключом к пониманию главного принципа строения земной коры — она не монолитна, а находится в постоянном обновлении. Подробнее о внутренних процессах, протекающих в земной коре, мы поговорим в соответствующих разделах, а сейчас разберем отличия 2 типов земной коры.
- Океаническая — молодая кора, толщина которой составляет от 5 до 10 километров. Возраст пород в океанической коре составляет не более 200 млн лет. В отличие от континентальной коры, океаническая состоит только из 2 слоев пород.
- Континентальная — древняя кора, имеющая меньшую плотность, но гораздо большую толщину по сравнению с океанической. В разных частях суши ее толщина варьируется от 25 до 80 километров. Континентальная кора трансформируется невероятно медленно, и некоторые породы в ее недрах могут иметь возраст более 3 млрд лет. Континентальная кора представлена 3 слоями пород.
Между земной корой и мантией выделяют переходный слой, который называют границей Мохоро́вичича, или сокращенно — границей Мохо. Хорватский геофизик Андрия Мохоровичич в 1909 году изучал данные землетрясений и обнаружил 2 типа сейсмических волн: прямые и преломленные. Различия между ними он объяснил резким изменением плотности вещества между мантией и корой. Понимание свойств границы Мохо помогло ученым сформулировать теории о составе земной коры и сегодня этот переходный слой играет важную роль в геологических исследованиях.
Слои земной коры: осадочный, гранитный, базальтовый
- Осадочный слой есть как у океанической, так и у континентальной земной коры. Это самая верхняя часть коры, представленная в основном песчаными, глинистыми и каменными породами. Толщина осадочного слоя, как правило, не превышает 5 километров, однако иногда достигает 15 и даже 20 километров. Осадочный слой является ценным «архивом», по которому ученые реконструируют историю жизни и климата на Земле в прошлые эпохи. В геологии его иногда называют «платформенным чехлом», покрывающим фундамент земной коры.
- Гранитный слой — это уникальная отличительная особенность континентальной коры. Обычно он имеет толщину до 20 – 30 километров и представляет собой переходную зону средней плотности. Его основу составляют гранит и гранитоиды — зернистые магматические породы, характеризующиеся повышенной устойчивостью. Помимо магматических, в этом слое присутствуют и метаморфические породы, то есть преобразованные под воздействием высокой температуры и давления, а также химически активных веществ. Среди них выделяют мрамор, кварциты и кристаллические сланцы.
- Базальтовый слой — это нижняя часть земной коры, толщина которой составляет до 30 километров под континентами и порядка 5 километров под океанами. Этот слой характеризуется самой высокой плотностью из-за составляющих его базальтов и похожих на них по составу и физическим свойствам пород, богатых кремнием, магнием и железом. Базальтовый слой отделен от мантии уже известной нам границей Мохо, а его верхняя часть представлена границей Конрада, после которой сейсмические волны резко наращивают свою скорость. Австрийский геофизик Виктор Конрад определил эту переходную структуру в 1925 году.
Состав земной коры
Если представить, что мы разбираем земную кору на ее мельчайшие составляющие — атомы, — самым распространенным элементом окажется кислород. На него приходится примерно половина всего вещества земной коры как по массе, так и по объему. Конечно, это не тот газообразный атмосферный кислород, которым мы дышим. В земной коре он находится в связанном виде, образуя более 1 500 различных соединений, среди которых распространены оксиды, силикаты, сульфаты, фосфаты и карбонаты.
Перечислим и другие элементы, входящие в состав земной коры, с указанием их процентной доли содержания по массе и объему:
- кремний — 26 / 16;
- алюминий — 7,5 / 5;
- железо — 4,2 / 1,3;
- кальций — 3,3 / 1,4;
- натрий — 2,4 / 1,8;
- магний — 2,3 / 1,2;
- калий — 2,3 / 1;
- водород — 1 / 17.
Отдельно остановимся на водороде — как мы можем видеть, это второй по объему элемент земной коры, составляющий всего лишь 1% от ее массы. Чтобы понять столь высокую разницу между показателями, вспомним школьные уроки химии. Водород имеет первый порядковый номер в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева, а значит, и наименьшую атомную массу. Благодаря высокой реакционной способности в земной коре водород входит в состав как органических соединений, так и минералов.
Формирование земной коры в ходе эволюции Земли
Земля сформировалась около 4,5 млрд лет назад из частиц газопылевого облака, окружавшего зарождающееся Солнце. В процессе наращивания массы каменистые тела сталкивались друг с другом и слипались, что сопровождалось выделением огромного количества тепловой энергии. В условиях постоянной бомбардировки метеоритами и астероидами молодая Земля оказалась полностью расплавленной и представляла собой сплошной океан магмы.
В течение примерно 100 млн лет наша планета немного остыла, тяжелые элементы опустились к центру, сформировав ядро, а более легкие оказались у поверхности и стали основой первичной коры. Это была хрупкая неустойчивая оболочка, проходившая многочисленные циклы разрушения и восстановления из застывающей магмы. И хотя у ученых нет ни одного сохранившегося образца первичной коры, они предполагают, что она почти полностью состояла из базальтов.
Согласно наиболее распространенной теории, 4 млрд лет назад кора стала достаточно плотной и устойчивой, а затем раскололась на отдельные фрагменты — литосферные плиты. Конвекционные процессы в мантии, при которых раскаленное вещество поднималось вверх, а остывающее опускалось вниз, запустили тектонику плит, чем создали условия для дальнейшей эволюции земной коры.
Основные этапы развития континентов и океанов
Архейский эон — геологический период, охватывающий промежуток времени с 4 до 2,5 млрд назад, — начался с формирования океанической коры. На границах расхождения литосферных плит возникали срединно-океанические хребты, в которых из мантии Земли на ее поверхность пробивались потоки магмы. Именно эта остывающая магма становилась основой для формирования коры. Важно отметить, что эти процессы происходят непрерывно, и поэтому возраст самой древней океанической коры не превышает 200 млн лет.
Континентальная кора начала формироваться несколько позднее, чем океаническая, — около 3,7 млрд лет назад. Древнейшие ее части, которые в геологии называют кратонами, возникали в зонах субдукции, то есть на границах схождения литосферных плит. В результате океаническая кора погружалась в мантию и начинала плавиться, обеспечивая приток силикатной магмы, из которой в будущем сформировались граниты. Континентальная кора могла раскалываться и дрейфовать, но из-за относительно невысокой плотности она не погружалась в мантию и постепенно наращивала свою толщину.
Таким образом, архей стал временем, когда начались процессы постоянного обновления океанической коры и появились первые устойчивые участки континентальной. Дальнейшие этапы развития континентов и океанов можно разделить на 2 основные части.
- Протерозойский эон (2,5 млрд–541 млн лет назад) — интенсивное образование новой континентальной коры поспособствовало началу суперконтинентального цикла. Массивы суши то объединялись в единые суперконтиненты, такие как Родиния или Паннотия, то распадались на отдельные фрагменты. Благодаря фотосинтезу цианобактерий атмосфера Земли насытилась кислородом, повлияв на химический состав океанов и осадочных пород.
- Фанерозойский эон (541 млн лет назад – настоящее время) — на Земле сформировался последний на текущий момент суперконтинент Пангея, объединивший почти все существующие части суши. Распад Пангеи поспособствовал формированию современных континентов, раскрытию Атлантического и формированию всех остальных океанов. Научные модели предсказывают, что через 200 млн лет Тихий океан закроется и на Земле будет сформирован новый гипотетический суперконтинент — Амазия.
Процессы, происходящие в земной коре
Процессы, происходящие в земной коре, принципиально делятся на 2 большие категории:
- эндогенные — глубинные, связанные с внутренней активностью планеты;
- экзогенные — поверхностные, зависящие от внешних воздействий.
Эндогенные процессы запускаются благодаря внутренней тепловой энергии Земли и создают неровности рельефа — ту самую неоднородность земной коры, о которой мы говорили в начале статьи. Движение литосферных плит способствует образованию многочисленных впадин и горных хребтов, изливающаяся на поверхность магма становится основой для вулканов и лавовых плато, а в результате метаморфизма образуются новые типы пород.
Экзогенные процессы протекают на поверхности Земли, и главным фактором их возникновения является солнечная энергия. Перепады температур приводят к так называемому выветриванию пород, включающему разрушение и преобразование их химического состава. Обломки разрушенных пород вместе с водой переносятся в другие места, где происходит их переотложение и формирование новых осадочных пород — основной геологической «летописи» нашей планеты.
Полезные ископаемые и ресурсы
В осадочном слое содержится множество горючих полезных ископаемых, таких как уголь, нефть и природный газ, а также нерудные ископаемые: известняк, глина и песчаники. Железные, золотоносные, титановые и другие металлические руды формируются в базальтовом слое в результате охлаждения поднимающейся из недр Земли магмы. В гранитном слое нет месторождений полезных ископаемых в общепринятом смысле. Но как сам гранит, так и составляющие его породообразующие минералы широко используются в строительстве и промышленности. Кроме того, гранит зачастую является исходным материалом для формирования бокситов — алюминиевых руд.
Экологические проблемы земной коры
Человеческая деятельность, непосредственно связанная с земной корой, приводит к целому комплексу экологических проблем. Разработка карьеров и шахт по добыче полезных ископаемых ускоряет эрозию почвенного слоя и приводит к постепенному сокращению площади плодородных земель. Кроме того, почвенный слой активно загрязняется бытовыми и промышленными отходами, химическими удобрениями и пестицидами. Токсичные вещества, накапливаясь в земной коре, отравляют подземные воды и сокращают доступность водных ресурсов.
Влияние климатических изменений на земную кору
Климатические изменения приводят не только к экстремальным погодным катаклизмам, но и к таянию ледников. Колоссальные ледяные щиты буквально придавливают земную кору, а при сокращении их массы возникает гляциоизостатическая коррекция, которую можно описать как пружинящий эффект. Когда давление ледников ослабевает, земная кора постепенно поднимается, что приводит к изменению наклона поверхности. Например, в Финляндии гляциоизостазия стала причиной неоднократного перемещения портов из-за изменения прибрежной зоны.
Таяние ледников приводит и к другим последствиям, связанным с земной корой. Перераспределение массы создает дополнительную напряженность в местах расхождения литосферных плит, из-за чего возрастает риск сейсмической активности. Кроме того, рост концентрации углекислого газа в атмосфере ускоряет закисление подземных вод и, как следствие, растворение осадочных пород. В результате образуются карстовые воронки, представляющие серьезную угрозу для зданий и всевозможных конструкций.
Современные исследования земной коры
Для современных исследований земной коры характерен междисциплинарный подход. Традиционные геологические методы, включающие анализ сейсмических волн и бурение, сопровождаются построением сложных компьютерных моделей и симуляций, позволяющих «заглянуть» как в далекое прошлое, так и в будущее нашей планеты. Следить за геодинамическими процессами помогают спутниковые системы, такие как GPS и ГЛОНАСС, практически в реальном времени отображающие возникающие деформации поверхности. Лидары — устройства, генерирующие и принимающие лазерные импульсы, — позволяют создавать высокоточные трехмерные карты земной коры для оценки ее текущего состояния.
***
Земная кора — это не просто внешняя оболочка Земли, по которой мы передвигаемся. Она представляет собой сложную динамическую систему, которая постоянно меняет облик нашей планеты, перераспределяя океаны и континенты. Современная наука комплексно изучает земную кору, видя в ней хрупкий щит, испытывающий растущее давление от человеческой деятельности и климатических изменений. Понимание внутренних планетарных процессов — это ключ к будущему, в котором нам предстоит научиться бережно распоряжаться подземными ресурсами и адаптироваться ко всевозможным геофизическим процессам.
Автор текста Иван Стефанов
Изображение на обложке: Freepik
