Сравнительное описание одной из естественных природных экосистем. Естественные и искусственные экосистемы, их сравнение

Внутреннее строение

Общая структура планеты Земля

Земля, как и другие планеты земной группы, имеет слоистое внутреннее строение. Она состоит из твёрдых силикатных оболочек (коры, крайне вязкой мантии), и металлического ядра. Внешняя часть ядра жидкая (значительно менее вязкая, чем мантия), а внутренняя - твёрдая. Геологические слои Земли по глубине от поверхности:

Внутренняя теплота планеты, скорее всего, обеспечивается радиоактивным распадом изотопов калия-40, урана-238 и тория-232. У всех трёх элементов период полураспада составляет более миллиарда лет. В центре планеты, температура, возможно, поднимается до 7 000 К, а давление может достигать 360 ГПа (3,6 млн. атм). Часть тепловой энергии ядра передаётся к земной коре посредством плюмов. Плюмы приводят к появлению горячих точек и траппов.

Земная кора

Земная кора - это верхняя часть твёрдой земли. От мантии отделена границей с резким повышением скоростей сейсмических волн - границей Мохоровичича. Бывает два типа коры - континентальная и океаническая. Толщина коры колеблется от 6 км под океаном, до 30-50 км на континентах. В строении континентальной коры выделяют три геологических слоя: осадочный чехол, гранитный и базальтовый. Океаническая кора сложена преимущественно породами основного состава, плюс осадочный чехол. Земная кора разделена на различные по величине литосферные плиты, двигающиеся относительно друг друга. Кинематику этих движений описывает тектоника плит.

Мантия Земли

Глубина км Слой Плотность г/см³

0-60 Литосфера (местами варьируется от 5 до 200 км)

0-35 Кора (местами варьируется от 5 до 70 км) 2,2-2,9

35-2890 Мантия 3,4-5,6

100-700 Астеносфера

2890-5100 Внешнее ядро 9,9-12,2

5100-6378 Внутреннее ядро 12,8-13,1

Мантия Земли

Мантия - это силикатная оболочка Земли, сложенная преимущественно перидотитами - породами, состоящими из силикатов магния, железа, кальция и др. Частичное плавление мантийных пород порождает базальтовые и им подобные расплавы, формирующие при подъёме к поверхности земную кору.

Мантия составляет 67 % всей массы Земли и около 83 % всего объёма Земли. Она простирается от глубин 5-70 километров ниже границы с земной корой, до границы с ядром на глубине 2900 км. Мантия расположена в огромном диапазоне глубин, и с увеличением давления в веществе происходят фазовые переходы, при которых минералы приобретают всё более плотную структуру. Наиболее значительное превращение происходит на глубине 660 километров. Термодинамика этого фазового перехода такова, что мантийное вещество ниже этой границы не может проникнуть через неё, и наоборот. Выше границы 660 километров находится верхняя мантия, а ниже, соответственно, нижняя. Эти две части мантии имеют различный состав и физические свойства. Хотя сведения о составе нижней мантии ограничены, и число прямых данных весьма невелико, можно уверенно утверждать, что её состав со времён формирования Земли изменился значительно меньше, чем верхней мантии, породившей земную кору.

Теплоперенос в мантии происходит путём медленной конвекции, посредством пластической деформации минералов. Скорости движения вещества при мантийной конвекции составляют порядка нескольких сантиметров в год. Эта конвекция приводит в движение литосферные плиты. Конвекция в верхней мантии происходит раздельно. Существуют модели, которые предполагают ещё более сложную структуру конвекции.

Д.Ю. Пущаровский, Ю.М. Пущаровский (МГУ им. М.В. Ломоносова)

Состав и строение глубинных оболочек Земли в последние десятилетия продолжают оставаться одной из наиболее интригующих проблем современной геологии. Число прямых данных о веществе глубинных зон весьма ограниченно. В этом плане особое место занимает минеральный агрегат из кимберлитовой трубки Лесото (Южная Африка), который рассматривается как представитель мантийных пород, залегающих на глубине ~250 км. Керн, поднятый из самой глубокой в мире скважины, пробуренной на Кольском полуострове и достигшей отметки 12 262 м, существенно расширил научные представления о глубинных горизонтах земной коры - тонкой приповерхностной пленке земного шара. Вместе с тем новейшие данные геофизики и экспериментов, связанных с исследованием структурных превращений минералов, уже сейчас позволяют смоделировать многие особенности строения, состава и процессов, происходящих в глубинах Земли, знание которых способствует решению таких ключевых проблем современного естествознания, как формирование и эволюция планеты, динамика земной коры и мантии, источники минеральных ресурсов, оценка риска захоронения опасных отходов на больших глубинах, энергетические ресурсы Земли и др.

Сейсмическая модель строения Земли

Широко известная модель внутреннего строения Земли (деление ее на ядро, мантию и земную кору) разработана сейсмологами Г. Джеффрисом и Б. Гутенбергом еще в первой половине XX века. Решающим фактором при этом оказалось обнаружение резкого снижения скорости прохождения сейсмических волн внутри земного шара на глубине 2900 км при радиусе планеты 6371 км. Скорость прохождения продольных сейсмических волн непосредственно над указанным рубежом равна 13,6 км/с, а под ним - 8,1 км/с. Это и есть граница мантии и ядра .

Соответственно радиус ядра составляет 3471 км. Верхней границей мантии служит сейсмический раздел Мохоровичича (Мохо , М), выделенный югославским сейсмологом А. Мохоровичичем (1857-1936) еще в 1909 году. Он отделяет земную кору от мантии. На этом рубеже скорости продольных волн, прошедших через земную кору, скачкообразно увеличиваются с 6,7-7,6 до 7,9-8,2 км/с, однако происходит это на разных глубинных уровнях. Под континентами глубина раздела М (то есть подошвы земной коры) составляет первые десятки километров, причем под некоторыми горными сооружениями (Памир, Анды) может достигать 60 км, тогда как под океанскими впадинами, включая и толщу воды, глубина равна лишь 10-12 км. Вообще же земная кора в этой схеме вырисовывается как тонкая скорлупа, в то время как мантия распространяется в глубину на 45% земного радиуса.

Но в середине XX века в науку вошли представления о более дробном глубинном строении Земли. На основании новых сейсмологических данных оказалось возможным разделить ядро на внутреннее и внешнее, а мантию - на нижнюю и верхнюю (рис. 1). Эта модель, получившая широкое распространение, используется и в настоящее время. Начало ей положил австралийский сейсмолог К.Е. Буллен, предложивший в начале 40-х годов схему разделения Земли на зоны, которые обозначил буквами: А - земная кора, В - зона в интервале глубин 33-413 км, С - зона 413-984 км, D - зона 984-2898 км, Д - 2898-4982 км, F - 4982-5121 км, G - 5121-6371 км (центр Земли). Эти зоны отличаются сейсмическими характеристиками. Позднее зону D он разделил на зоны D" (984-2700 км) и D" (2700-2900 км). В настоящее время эта схема значительно видоизменена и лишь слой D" широко используется в литературе. Его главная характеристика - уменьшение градиентов сейсмических скоростей по сравнению с вышележащей областью мантии.

Рис. 1. Схема глубинного строения Земли

Тем больше проводится сейсмологических исследований, тем больше появляется сейсмических границ. Глобальными принято считать границы 410, 520, 670, 2900 км, где увеличение скоростей сейсмических волн особенно заметно. Наряду с ними выделяются промежуточные границы: 60, 80, 220, 330, 710, 900, 1050, 2640 км . Дополнительно имеются указания геофизиков на существование границ 800, 1200-1300, 1700, 1900-2000 км. Н.И. Павленковой недавно в качестве глобальной выделена граница 100, отвечающая нижнему уровню разделения верхней мантии на блоки. Промежуточные границы имеют разное пространственное распространение, что свидетельствует о латеральной изменчивости физических свойств мантии, от которых они и зависят. Глобальные границы представляют иную категорию явлений. Они отвечают глобальным изменениям мантийной среды по радиусу Земли.

Отмеченные глобальные сейсмические границы используются при построении геологических и геодинамических моделей, в то время как промежуточные в этом смысле пока внимания почти не привлекали. Между тем различия в масштабах и интенсивности их проявления создают эмпирическую основу для гипотез, касающихся явлений и процессов в глубинах планеты.

Ниже рассмотрим, каким образом геофизические рубежи соотносятся с полученными в последнее время результатами структурных изменений минералов под влиянием высоких давлений и температур, значения которых соответствуют условиям земных глубин.

Проблема состава, структуры и минеральных ассоциаций глубинных земных оболочек или геосфер, конечно, еще далека от окончательного решения, однако новые экспериментальные результаты и идеи существенно расширяют и детализируют соответствующие представления.

Согласно современным взглядам, в составе мантии преобладает сравнительно небольшая группа химических элементов: Si, Mg, Fe, Al, Ca и О. Предлагаемые модели состава геосфер в первую очередь основываются на различии соотношений указанных элементов (вариации Mg/(Mg + Fe) = 0,8-0,9; (Mg + Fe)/Si = 1,2Р1,9), а также на различиях в содержании Al и некоторых других более редких для глубинных пород элементов. В соответствии с химическим и минералогическим составом эти модели получили свои названия: пиролитовая (главные минералы - оливин, пироксены и гранат в отношении 4: 2: 1), пиклогитовая (главные минералы - пироксен и гранат, а доля оливина снижается до 40%) и эклогитовая, в которой наряду с характерной для эклогитов пироксен-гранатовой ассоциацией присутствуют и некоторые более редкие минералы, в частности Al-содержащий кианит Al2SiO5 (до 10 вес. %). Однако все эти петрологические модели относятся прежде всего к породам верхней мантии , простирающейся до глубин ~670 км. В отношении валового состава более глубоких геосфер лишь допускается, что отношение оксидов двухвалентных элементов (МО) к кремнезему (МО/SiO2) ~ 2, оказываясь ближе к оливину (Mg, Fe)2SiO4, чем к пироксену (Mg, Fe)SiO3, а среди минералов преобладают перовскитовые фазы (Mg, Fe)SiO3 с различными структурными искажениями, магнезиовюстит (Mg, Fe)O со структурой типа NaCl и некоторые другие фазы в значительно меньших количествах.

Имеет довольно четко выраженную границу с подстилающей мантией. Скорость сейсмических волн выше этой границы не превышает 7,1-7,4 км/с, тогда как ниже она увеличивается до 8,2 км/с. Эта поверхность раздела была открыта в 1910 году югославским геофизиком А. Мохоровичичем при изучении землетрясения в Хорватии. Впоследствии подошва земной коры получила название границы Мохоровичича, или Мохо. Ниже нее до глубины 2900 км располагается мантия Земли . Плотность вещества мантии больше плотности пород земной коры и колеблется от 3,3 г/см3 в верхней части до 6-9 г/см3 в низах мантии. В соответствии с этим скорость распространения упругих колебаний возрастает до 13,6 км/с. Однако нарастание скорости идет неравномерно. Оно значительно быстрее в верхней части мантии (до глубин 900-1000 км) и очень медленное, постепенное на больших глубинах. В связи с этим мантию делят на внешнюю и внутреннюю . Граница между ними лежит на глубине 900 км.

Внешняя мантия изучена лучше внутренней . Но и в отношении ее многое еще неясно. В частности, большие споры вызывает химический состав внешней мантии . Одни ученые считают, что она сложена перидотитом - магматической породой, состоящей из оливина с примесью кремнезема. Другие предполагают, что внешняя мантия значительно богаче кремнеземом и по своему составу соответствует базальту, но с более плотной «упаковкой» атомов и, следовательно, с большей плотностью, чем обычный базальт. Такой глубинный базальт получил название эклогита. Достоверно ни в одной точке нашей планеты породы мантии не обнажаются, они перекрыты земной корой и не достигаемы пока даже при сверхглубоком бурении.

Характерной чертой строения внешней мантии является ее расслоенность, что устанавливается геофизическими методами. На глубине около 100 километров под материками и около 50 километров под океанами ниже подошвы земной коры находится слой мантии, установленный немецким геофизиком Б. Гутенбергом в 1914 году. Скорость распространения упругих колебаний в нем резко снижается, что свидетельствует о размягченном состоянии вещества.

Предполагают, что оно находится здесь в твердожидком состоянии, когда гранулы твердого вещества окружены пленкой расплава. Этот слой получил название астеносферы (ослабленный слой), или слоя Гутенберга. Возникновение астеносферы можно объяснить более быстрым нарастанием с глубиной температуры, чем параллельное увеличение давления, что и приводит к массовому равномерно рассеянному частичному плавлению породы. По мнению австралийского ученого А. Е. Рингвуда, в расплавленном состоянии здесь находится от 1 до 10% вещества.

Выше астеносферы породы мантии находятся в твердом состоянии, образуя совместно с земной корой литосферу , то есть каменную оболочку Земли. Ниже астеносферы, на глубине примерно 400 км под океанами и 250 км под континентами, располагается слой Голицына, названный так в честь русского ученого Б. Б. Голицына, впервые указавшего на существование этого слоя. Для него характерно возрастание плотности вещества и соответственное увеличение скорости распространения сейсмических волн. Предполагают, что слой Голицына состоит из сверхплотных разновидностей кремнезема и силикатов. Опытным путем было доказано, что при больших давлениях и температурах кремнезем уплотняется, образуя новые минералы с очень плотной упаковкой атомов. Так, в лабораторных условиях из кремния удалось получить при давлении в 145000 атмосфер и температуре 1400° С минерал с плотностью 4,35 г/см3.

Внутренняя мантия , располагающаяся в интервале глубин от 900 до 2900 км, характеризуется большей плотностью вещества и большей скоростью распространения упругих колебаний, чем внешняя. Предполагают, что внутренняя мантия Земли состоит из силикатов, обогащенных железом и магнием. Возможно, что здесь широкое развитие получили сульфиды железа.

Ядро Земли охватывает всю внутреннюю область планеты с глубины 2900 км. Важнейшей особенностью ядра является снижение скорости прохождения сквозь него сейсмических волн. На основании этого делается вывод о жидком состоянии вещества ядра . По-видимому, оно напоминает густой, вязкий материал, близкий к твердому, но все же гораздо более текучий, чем субстанция внутренней мантии. С глубины 5000-5200 километров, скорость сейсмических волн возрастает. Это послужило основанием для датского исследователя И. Леманна в 1936 году, разделить ядро на внешнее и внутреннее. Весьма вероятно, что материал внешнего ядра находится в вязком состоянии, подобно веществу астеносферы, а внутреннего - в твердом состоянии. Плотность пород ядра достигает 13 г/см3.

О химическом составе ядра Земли существуют два основных мнения. Одни исследователи считают ядро железным, состоящим из никеля и железа («нифе» по Э. Зюссу). Другие же считают, что оно сложено силикатами, которые находятся в «металлизированном» состоянии. Предполагают, что под влиянием огромного давления в недрах Земли (до 3 миллионов атмосфер) атомы силикатов частично разрушились, от них оторвались отдельные электроны и произошло уплотнение вещества. Однако эксперименты последних лет не обнаружили металлизацию силикатов вплоть до давлений 5 миллионов атмосфер. Тем самым предположение о силикатном металлизированном ядре Земли поставлено под большое сомнение. Сейчас начинает преобладать промежуточная точка зрения, согласно которой внутреннее ядро - железно-никелевое, а внешнее - сложено сверхплотными силикатами.

В двадцатом веке геологи и геохимики Корнеллского университета (США) выступили с сенсационным заявлением. Они утверждали, что ими на поверхности Земли обнаружен новый минерал, который, по их мнению, каким-то образом был вынесен из внешнего ядра. Структура минерала, его плотность и химический состав говорят за это. В лабораториях университета выяснили, что минерал на 86% состоит из металлов, а на 14% из силикатов. Металлическая фракция сложена никелем (69,9%) и железом (30,1%). Минерал был найден в обломках гравия в горах штата Орегон. Его назвали джозефинитом.

О вещественном составе глубинных зон прямых данных практически нет. Выводы базируются на геофизических данных, дополняемых результатами экспериментов и математического моделирования. Существенную информацию несут метеориты и фрагменты верхнемантийных пород, выносимые из недр глубинными магматическими расплавами.

Валовый химический состав Земли очень близок к составу углистых хондритов – метеоритов, по составу близких первичному космическому веществу, из которого формировалась Земля и другие космические тела Солнечной системы. По валовому составу Земля на 92% состоит всего из пяти элементов (в порядке убывания содержания): кислорода, железа, кремния, магния и серы. На все остальные элементы приходится около 8%.

Однако в составе геосфер Земли перечисленные элементы распределены неравномерно - состав любой оболочки резко отличается от валового химического состава планеты. Это связано с процессами дифференциации первичного хондритового вещества в процессе формирования и эволюции Земли.

Основная часть железа в процессе дифференциации сконцентрировалась в ядре. Это хорошо согласуется и с данными о плотности вещества ядра, и с наличием магнитного поля, с данными о характере дифференциации хондритового вещества, и с другими фактами. Эксперименты при сверхвысоких давлениях показали, что при давлениях достигаемых на границе ядра и мантии, плотность чистого железа близко к 11 г/см 3 , что выше фактической плотности этой части планеты. Следовательно, во внешнем ядре присутствует некоторое количество лёгких компонентов. В качестве наиболее вероятных компонентов рассматриваются водород или сера. Так расчёты показывают, что смесь 86% железа + 12% серы + 2% никеля соответствует плотности внешнего ядра и должна находится в расплавленном состоянии при Р-Т условиях этого участка планеты. Твёрдое внутреннее ядро, представлено никелистым железом, вероятно, в соотношении 80% Fe + 20% Ni, что отвечает составу железных метеоритов.

Для описания химического состава мантии к сегодняшнему дню предложено несколько моделей (табл.). Несмотря на имеющиеся между ними различия, всеми авторами принимается, что примерно на 90% мантия состоит из окислов кремния, магния и двухвалентного железа; еще 5 – 10% представлены окислами кальция, алюминия и натрия. Таким образом, на 98% мантия состоит всего из шести перечисленных окислов.

Химический состав мантии Земли

Окислы	Содержание, весовые %
	Пиролитовая модель	Лерцолитовая модель	Хондритовая модель
SiO 2	45,22	45,3	48,1
TiO 2	0,7	0,2	0,4
Al 2 O 3	3,5	3,6	3,8
FeO	9,2	7,3	13,5
MnO	0,14	0,1	0,2
MgO	37,5	41,3	30,5
CaO	3,1	1,9	2,4
Na 2 O	0,6	0,2	0,9
К 2 О	0,13	0,1	0,2

Дискуссионным является форма нахождения этих элементов: в форме каких минералов и горных пород они находятся?

До глубины 410 км, согласно лерцолитовой модели, мантия состоит на 57% из оливина, на 27% из пироксенов и на 14% из граната; её плотность около 3,38 г/см 3 . На границе 410 км оливин переходит в шпинель, а пироксен – в гранат. Соответственно, нижняя мантия состоит из гранат-шпинелевой ассоциации: 57% шпинели + 39% граната + 4% пироксена. Превращение минералов в более плотные модификации на рубеже 410 км приводит к увеличению плотности до 3,66 г/см3, что отражается в возрастании скорости прохождения сейсмических волн через это вещество.

Следующий фазовый переход приурочен к границе 670 км. На этом уровне давление определяет разложение минералов, типичных для верхней мантии, с образованием более плотных минералов. Вследствие такой перестройки минеральных ассоциаций плотность нижней мантии у границы 670 км становится около 3,99 г/см3 и постепенно нарастает с глубиной под воздействием давления. Это фиксируется скачкообразным нарастанием скорости сейсмических волн и дальнейшим плавным нарастанием скорости границы 2900 км. На границе мантии и ядра, вероятно, происходит разложение силикатных минералов на металлическую и неметаллическую фазы. Этот процесс дифференциации мантийного вещества сопровождается ростом металлического ядра планеты и выделением тепловой энергии .

Суммируя приведённые данные, необходимо отметить, что разделение мантии обусловлено перестройкой кристаллической структуры минералов без значимого изменения её химического состава . Сейсмические границы раздела приурочены к участкам фазовых превращений и связаны с изменением плотности вещества.

Раздел ядро/мантия является, как отмечено ранее, очень резким. Здесь резко изменяются скорости и характер прохождения волн, плотность, температура и другие физические параметры. Такие радикальные изменения не могут быть объяснены перестройкой кристаллической структуры минералов и, несомненно, связаны с изменением химического состава вещества.

Более подробные сведения имеются в вещественном составе земной коры, верхние горизонты которой доступны для непосредственно изучения.

Химический состав земной коры отличается от более глубоких геосфер в первую очередь обогащённостью относительно лёгкими элементами – кремнием и алюминием.

Достоверные сведения имеются только о химическом составе самой верхней части земной коры. Первые данные о её составе были опубликованы в 1889 году американским ученым Ф. Кларком, как среднеарифметические из 6000 химических анализов горных пород. Позже, на основании многочисленных анализов минералов и горных пород, эти данные многократно уточнялись, но и сейчас процентное содержание химического элемента в земной коре называется кларком. Около 99 % в составе земной коры занимают всего 8 элементов, то есть они имеют наибольшие кларки (данные об их содержании приведены в таблице). Кроме того, могут быть названы ещё несколько элементов, имеющих относительно высокие кларки: водород (0,15%), титан (0,45%), углерод (0,02%), хлор (0,02%), которые в сумме составляют 0,64%. На все остальные элементы, содержащиеся в земной коре в тысячных и миллионных долях, остаётся 0,33%. Таким образом, в пересчёте на окислы, земная кора в основном состоит из SiO2 и Al2O3 (имеет «сиалический» состав, SIAL), что существенно отличает её от мантии, обогащённой магнием и железом.

Вместе с тем, нужно иметь в виду, что приведённые выше данные о среднем составе земной коры отражают лишь общую геохимическую специфику этой геосферы. В пределах земной коры по составу существенно различается океанический и континентальный типы коры. Океаническая кора образуется за счёт поступающих из мантии магматических расплавов, поэтому в значительно большей степени обогащена железом, магнием и кальцием, чем континентальная.

Среднее содержание химических элементов в земной коры
(по Виноградову)

Химический состав континентальной и океанической коры

Окислы
	Континентальная кора	Океанская кора
SiO 2	60,2	48,6
TiO 2
Al 2 O 3	15,2	16.5
Fe 2 O 3
		12,3
Na 2 O
K 2 O

Не менее значимые различия обнаруживаются и между верхней и нижней частью континентальной коры. В значительной мере это связано с формированием коровых магм, возникающих за счёт плавления пород земной коры. При плавлении разных по составу пород выплавляются магмы, в значительной мере состоящие из кремнезёма и окисла алюминия (они содержат обычно более 64% SiO 2), а оксиды железа и магния остаются в глубинных горизонтах в виде нерасплавленного «остатка». Имеющие малую плотность расплавы, внедряются в более высокие горизонты земной коры, обогащая их SiO 2 и Al 2 O 3 .

Химический состав верхней и нежней континентальной коры
(по Тейлору и Мак-Леннану)

Окислы
	Верхняя кора	Нижняя кора
SiO 2	66,00	54,40
TiO 2
Al 2 O 3	15,2	16.1
		10,6
Na 2 O
K 2 O		0,28

Химические элементы и соединения в земной коре могут образовывать собственные минералы или находится в рассеянном состоянии, входя в форме примесей в какие-либо минералы и горные породы.