Земная кора и гидросфера

Планета Земля состоит из металлического ядра и охватывающих его двух концентрических оболочек: мантии и земной коры. Залегающая под земной корой мантия имеет переменную температуру от 1000 до 3000 °С, плотность от 3,2 до 5 г/см³ и состоит из полностью или частично расплавленных минералов горных пород, способных течь как высоковязкая жидкость. Мантийное вещество состоит преимущественно из силикатов, испытывающих фазовые переходы при изменении температуры и давления. Мантия постоянно подогревается со стороны горячего ядра, вследствие чего в ней непрерывно образуются мощные конвективные потоки. Кроме того, на перемешивание расплавленного вещества мантии существенное влияние оказывает приливное воздействие Луны.

Земная кора — это менее плотное вещество, которое более тяжелая мантия вытолкнула из себя. Плотность горных пород укладывается в диапазоне от 2 до 3,2 г/см³. С позиций геохимика — это наружная оболочка планеты, имеющая по сравнению с мантией избыток кремнезема, щелочи, воды и недостаток магния и железа. Средний химический состав земной коры следующий: SiO,₂ — 53,5%; А1₂ 0₃— 15,9%; СаО — 9,4%; FeO — 7,6%; MgO —5,4%; Na₂O —2,7%; С0₂— 1,0%; H_zO — 0,78%. С позиций геофизика земная кора — это относительно рыхлый чехол, лежащий на более плотной мантии. С позиций гидролога — это область, в которой вода может находиться в жидкой фазе.

С позиций гидротехника земная кора — это прочная горная порода, способная выдержать нагрузку в миллиарды тонн, создаваемую весом водохранилища и плотины. Однако земная кора не является абсолютной «твердью», она «плавает» в подкоровом субстрате горячего мантийного вещества и при этом стремится к достижению изоста- зии - состоянию гидростатического равновесия. Достаточно значимые изменения гравитационной нагрузки на земную кору приводят к изменению изостатического равновесия. Создание крупных водохранилищ вызывает не только осадку приповерхностной части земной коры (геологической среды), но и прогибает всю толщу земной коры как упругую пластину, плавающую в тяжелой жидкости.

Схематический разрез земной коры

а — состояние изостазии; б— состояние прогиба;
1 — область влияния силы веса водохранилища на геологическую среду;
2 — прогибающаяся земная кора; 3 — "граница Мохо";
4 — погружение подошвы земной коры в малтийное вещество

Из земных недр ежегодно выносится на поверхность около 9 ·10⁹ т магмы, пепла, паров и газов. Если всю массу, вынесенную за всю историю вулканических извержений, равномерно распределить по поверхности Земли, то получится слой толщиной в 34 км. Это означает, что земная кора является продуктом длительной переработки вещества верхней мантии посредством физического и химического выветривания, переосаждения, а также преобразования растениями и живыми организмами.

Вся история геологического развития Земли связана с выделением или поглощением тепла. Земля — это огромная тепловая машина. Через поверхность Земли теряется часть ее внутреннего тепла. Среднепланетарное значение удельного потока тепла, поступающего из недр, равно 59 мВт/м². Характеристика энергетических процессов, происходящих в геосферах Земли, приводится в таблице ниже.

Энергетика сильных возмущений в геосферах

Мощность падающего на Землю солнечного излучения	2 ·10¹⁷ Вт
Энергия вращения Земли	2,1·10²¹ Дж
Мощность теплового потока через земную поверхность	4 -10¹³ Вт
Мощность приливного воздействия Луны	10¹³ Вт
Энергия землетрясений с магнитудой 8,5	3,6·10¹⁷ Дж
Энергия вулканических извержений	До 10¹⁸ Д ж
Энергия обрушений склонов и лавин	До 10¹⁰ Дж
Энергия подводных оползней	До 10¹⁹ Дж
Энергия смерчей, ураганов, торнадо, циклонов	До 10¹⁷ Дж
Энергия, потребляемая человечеством за сутки	10¹⁸ Дж
Энергия ядерного взрыва	До 2,4 · 10¹⁷ Дж

С позиций современной гидротехнической науки земная кора — это прочная горная порода, способная без каких-либо перемещений выдержать нагрузку в миллиарды тонн, создаваемую весом водохранилищ и плотин. Однако земная кора не является «твердью», она плавает в подкоровом субстрате горячей мантии и при этом стремится к достижению состояния изостазии. В задачах тектонофизики земную кору рассматривают как упругую пластину, плавающую в тяжелой высоковязкой жидкости, которая чутко реагирует на приложение внешних сил и напряжений.

Любые значимые нагрузки на земную кору приводят к изменению изостатического равновесия. В частности, такими нагрузками являются крупные водохранилища весом в десятки и сотни миллиардов тонн. К 2010 г. на Земле построено и эксплуатируется более 50 водохранилищ, объем каждого из которых превосходит 25 млрд м³. Свойство изостазии современная гидротехника во внимание не принимает. В то же время многолетний прогиб всей толщи земной коры может быть одной из причин необъясненных процессов, происходящих в створах больших плотин.

Литосфера (земная кора и постилающая ее верхняя мантия) — это сложное многослойное образование с нерегулярно меняющимися свойствами. В качестве примера в таблице ниже представлены свойства структурных элементов земной коры в районе Саяно-Шушенской ГЭС.

Мощность h эффективно-упругой части литосферы (земной коры), в пределах которой она заметно проявляет упругие свойства и слабо проявляет вязкие свойства, для разных районов Земли составляет примерно 35—40 км. На этих глубинах температура горных пород приближается к 600—800 °С, поэтому здесь породы переходят из класса упругих в класс пластичных и упруговязких. Модуль упругости Е массива горных пород в пределах толщи земной коры может изменяться от 2 • 10⁴ до 12 • 10⁴ МПа. Среднее значение модуля Юнга для земной коры Е = 10¹¹ Па. Изгибная жесткость EJ земной коры может изменяться в пределах от 5 -10²² до 35 • 10²² Н • м².

На глубинах более 30—40 км температура горных пород приближается к температуре солидуса, легкоплавкие минералы плавятся, в результате вязкость мантийного вещества снижается на несколько порядков. Считается, что ниже подошвы земной коры (упругой части литосферы) вязкость горячего мантийно-астеносферного вещества характеризуется величинами порядка 10¹⁸— 10²⁰ Па • с.

Подвижность мантийного вещества является основной причиной возникновения больших горизонтальных напряжений и тектонических движений в земной коре. Извержения вулканов, землетрясения, образование разрывов и складок — это проявления внутренней активности Земли. Изливающаяся на поверхность магма —- это флюидно-силикатный расплав, содержащий соединения с кремнеземом и растворенные летучие вещества, а также присутствующие в виде пузырьков газа. Кристаллизация магмы происходит постепенно по мере падения ее температуры. Вначале выделяются высокотемпературные минералы с образованием таких горных пород, как базальты и габбро, затем — низкотемпературные минералы с образованием диоритов и андезитов, затем гранитов и риолитов и т.д. Наличие в магме легкоотделяемых компонентов приводит к вулканическим процессам, а наличие трудноотделяемых — к интрузивным процессам.

Свойства структурных элементов земной коры в районе СШГЭС

№ слоя	Характеристика слоя	Мощность слоя, км	V_р км/с	V_s. км/с	Коэффициент Пуассона η	р, г/см^э	Е · 10⁴ МПа
1	Зона выветривания и разгрузки	До 0,3	4,50	2.54	0,26	2,65	2,6
2	Приповерхностная часть верхнекорового гранитного комплекса	8,0	5,24	2,90	0,28	2,75	3,7
2	Приповерхностная часть верхнекорового метаморфического комплекса	8,0	5.85	3,10	0,28	2,70	4,4
3	Пхубинная часть верхнекорового комплекса	10,0	6,32	3,73	0,23	2,75	6,5
4	Среднекоровый мегакомплекс	18,0	6.55	3,86	0,23	2,89	8,0
5	Нижнекоровый мегакомплекс	16,0	7,03	4,04	0,25	2,93	10,0
6	Верхняя мантия	100,0	8,15	4.65	0.26	3,25	16,5

О вязкости горячей магмы можно судить по вязкости изливающейся лавы. Жидкие базальтовые лавы имеют температуру 1000—1200 °С и плотность до 2,8 г/см³. Высоковязкие лавы имеют температуру 700—900 °С и плотность 2,2 г/см³. Коэффициент вязкости горячей магмы примерно равен 1000 Па • с, что в миллион раз больше вязкости воды. Для сравнения можно сказать, что коэффициент вязкости расплава стекла при 1400 °С равен 1350 Па • с. Вязкость магмы резко возрастает по мере ее остывания и соответствующего увеличения в ее объеме доли затвердевших кристаллов. При увеличении в магме объемной доли кристаллов до 0,6 ее вязкость увеличивается до 10¹⁰ Па • с.

Нижним ярусом континентальной земной коры является толстый базальтовый слой, на котором покоится гранитный слой, покрытый мощным чехлом осадочных пород. На долю интрузивных и эффузивных магматических пород приходится примерно 95 % объема земной коры. Граница между корой и мантией подвижна: повышение температуры мантии смещает границу вверх, а понижение температуры — вниз.

Границей раздела земной коры и мантии принято считать «поверхность М», залегающую на глубинах 30—60 км на континентах и 5—10 км под дном океана. Эта поверхность определяется глубиной, на которой происходит резкое увеличение скорости сейсмических волн от 7 до 8 км/с. Особое значение границы М заключается в том, что на ее уровне примерно соблюдается архимедово равновесие земной коры, плавающей в мантийном веществе.

Ниже «поверхности М» залегает также астеносфера — слой верхней мантии с повышенной электропроводностью и пониженной вязкостью. Эта особенность астеносферы объясняется плавлением мантийного вещества в пределах 1—2 %, которое проявляется в виде тонкой пленки, обволакивающей кристаллы при температуре около 1200 °С. Астеносферный слой расположен ближе всего под океанами и глубже под континентами.

Земля — единственная планета Солнечной системы, на поверхности которой вода может находиться в жидком состоянии. Масса воды в современной гидросфере достигает 1,51 - 10¹⁸ т. Большая часть воды сосредоточена в Мировом океане — 1,42 • 10¹⁸ т и в материковых льдах — 0,023 • 10¹⁸ т. На пресные воды суши приходится около 0,001 • 10¹⁸ т. Помимо свободной воды часть ее в виде грунтовых вод пропитывает континентальную и океаническую кору. Суммарная масса таких вод достигает 0,066 • 10¹⁸ т. Средняя соленость океанических вод достигает 35 %о (промилле или тысячных долей процента).

Кроме жидкой фазы часть воды (0,713 • 10¹⁸ т) связана в гидросиликатах земной коры. Всего же на Земле в ее верхних геосферах сосредоточено примерно 2,233 • 10¹⁸ т воды. Воды океанов и морей покрывают около 2/3 поверхности Земли, средняя глубина Мирового океана близка к 3,8 км. В океанской воде растворены практически все химические элементы, главными из которых являются катионы натрия, магния, кальция, калия и анионы хлора, НСО_э, С0₃, брома.

В верхних слоях океана в каждом литре воды растворено в среднем 50 мл углекислого газа, 13 мл азота, до 8 мл кислорода. Холодные океанические воды высоких широт насыщены газами в большей степени, чем теплые воды тропических широт. Всего в океане растворено С0₂ около 1,4 • 10¹⁴ т, то есть почти в 60 раз больше, чем в атмосфере (2,4 • 10¹² т). Кислорода в океане растворено около 8 -10¹² т или в 150 раз меньше, чем его содержится в атмосфере. Ежегодно реки сносят с суши в океаны около 2,53 • 10¹⁰ т терригенного материала, из них примерно 2,23 • 10¹⁰ т/год приходится на взвеси, а остальное — на растворенные и органические вещества.

Геодинамика земной коры →