Введение

Внутренняя структура Земли — это слои Земли, исключая её атмосферу и гидросферу. Эта структура состоит из внешней силикатной твердой коры, высоковязкой астеносферы и твердой мантии, жидкого внешнего ядра, поток которого генерирует магнитное поле Земли, и твердого внутреннего ядра. Научное понимание внутренней структуры Земли основано на наблюдениях топографии и батиметрии, наблюдениях за горными породами на выходе на поверхность, образцах, доставленных на поверхность из больших глубин вулканами или вулканической деятельностью, анализе сейсмических волн, проходящих через Землю, измерениях гравитационных и магнитных полей Земли, а также экспериментах с кристаллическими твердыми телами при давлении и температуре, характерных для глубоких недр Земли.

Глобальные свойства

Химический состав верхней внутренней структуры Земли (состав представлен в процентах). Химический состав и другие элементыКонтинентальная кораВерхняя мантияПиролитовая модель Хондритовая модель (1) Хондритовая модель (2) MgO4.436.638.126.338.1Al2O315.84.64.62.73.9SiO259.145.445.129.843.2CaO6.43.73.12.63.9FeO 6.68.17.96.49.3Другие оксиды7.71.41.2N/A5.5FeN/A N/AN/A25.8N/ANiN/A N/AN/A1.7N/ASiN/AN/AN/A3.5N/A "Примечание: В хондритовой модели (1) предполагается, что легкий элемент в ядре – Si. Хондритовая модель (2) является моделью химического состава мантии, соответствующей модели ядра, представленной в хондритовой модели (1)."]] Измерения силы, которую оказывает земное притяжение, могут быть использованы для вычисления массы Земли. Астрономы также могут вычислить массу Земли, наблюдая за движением спутников на орбите. Среднюю плотность Земли можно определить с помощью гравиметрических экспериментов, которые исторически проводились с использованием маятников. Масса Земли составляет около 6. Средняя плотность Земли – 5,515.

Слои

Структура Земли может быть определена двумя способами: по механическим свойствам, таким как реология, или по химическому составу. Механически Землю можно разделить на литосферу, астеносферу, мантию мезосферы, внешнее ядро и внутреннее ядро. По химическому составу Земля подразделяется на кору, верхнюю мантию, нижнюю мантию, внешнее ядро и внутреннее ядро.

Кора и литосфера

Земная кора варьируется в глубине и является внешним слоем. Тонкие участки – это океаническая кора, лежащая в основании океанических бассейнов (5–10 км) и богатая мафическими породами (плотными железо-магниевыми силикатными минералами или магматическими породами). Более толстая кора – это континентальная кора, менее плотная и богатая фельсиками (магматическими породами, богатыми элементами, формирующими полевой шпат и кварц). Горные породы коры делятся на две основные категории – сиал (силикат алюминия) и сима (силикат магния). По оценкам, сима начинается примерно в 11 км ниже разрыва Конрада, хотя этот разрыв не всегда четко выражен и может отсутствовать в некоторых континентальных регионах. Литосфера Земли состоит из коры и верхней мантии. Граница кора-мантия проявляется как два физически различных явления. Дисконтинуитет Мохоровичича – это резкое изменение скорости сейсмических волн, вызванное изменением плотности горных пород. Непосредственно над дисконтинуитетом Мохоровичича скорости первичных сейсмических волн (P-волн) соответствуют скоростям в базальте (6,7–7,2 км/с), а ниже – скоростям в перидотите или дуните (7,6–8,6 км/с). Второе – в океанической коре существует химический разрыв между ультрамафическими кумулятами и тектонизированными гарцбургтитами, который наблюдался в глубоких частях океанической коры, поднятых на континентальную кору и сохранившихся в виде офиолитовых последовательностей. Многие породы, составляющие земную кору, образовались менее 100 миллионов лет назад; однако, возраст древнейших известных минеральных зерен составляет около 4,4 миллиарда лет, что указывает на то, что Земля имела твердую кору на протяжении как минимум 4,4 миллиарда лет.

Ядро

Внешнее ядро Земли представляет собой жидкий слой высотой около (т.е. расстояние от самой высокой точки до самой низкой точки на краю внутреннего ядра) [36% радиуса Земли, 15,6% объема] и состоит главным образом из железа и никеля, расположенного над твердым внутренним ядром Земли и под её мантией. Его внешняя граница находится на глубине под поверхностью Земли. Переход между внутренним и внешним ядром расположен приблизительно на глубине под поверхностью Земли. Внутреннее ядро Земли – это самый внутренний геологический слой планеты Земля. Оно представляет собой преимущественно твердый шар с радиусом около , что составляет примерно 19% радиуса Земли [0,7% объема] или 70% радиуса Луны. Внутреннее ядро было открыто в 1936 году Инге Леманн и в основном состоит из железа с некоторым содержанием никеля. Поскольку этот слой способен проводить сдвиговые волны (поперечные сейсмические волны), он должен быть твердым. Экспериментальные данные иногда противоречат современным кристаллическим моделям ядра. Другие экспериментальные исследования выявляют расхождения при высоких давлениях: исследования с использованием алмазной ячейки (статические) при давлении, соответствующем ядру, дают температуры плавления, примерно на 2000 К ниже, чем в исследованиях с использованием ударного лазера (динамических). Лазерные исследования создают плазму, и результаты позволяют предположить, что определение условий во внутреннем ядре будет зависеть от того, является ли оно твердым телом или плазмой с плотностью твердого тела. Это область активных исследований. На ранних этапах формирования Земли, около 4,6 миллиардов лет назад, плавление привело к опусканию более плотных веществ к центру в процессе, называемом планетарной дифференциацией (см. также «железная катастрофа»), в то время как менее плотные материалы мигрировали к коре. Таким образом, считается, что ядро в основном состоит из железа (80%), а также никеля и одного или нескольких легких элементов, в то время как другие плотные элементы, такие как свинец и уран, либо слишком редки, чтобы иметь существенное значение, либо склонны связываться с более легкими элементами и, следовательно, оставаться в коре (см. фельзические материалы). Некоторые предполагают, что внутреннее ядро может иметь форму единого железного кристалла. В лабораторных условиях образец сплава железа и никеля подвергался давлению, аналогичному давлению в ядре, зажимая его в тисках между двумя алмазными наконечниками (алмазная ячейка), а затем нагревая примерно до 4000 К. Образец наблюдали с помощью рентгеновских лучей, что убедительно подтвердило теорию о том, что внутреннее ядро Земли состоит из гигантских кристаллов, простирающихся с севера на юг. Состав Земли имеет большое сходство с составом некоторых хондритовых метеоритов и даже с некоторыми элементами во внешней части Солнца. Начиная с 1940 года ученые, включая Фрэнсиса Бирча, развивали геофизику, исходя из предпосылки, что Земля похожа на обычные хондриты – наиболее распространенный тип метеоритов, наблюдаемых при падении на Землю. Это игнорирует менее распространенные энстатитные хондриты, которые образовались при крайне ограниченном количестве доступного кислорода, что привело к тому, что некоторые обычно оксифильные элементы существуют частично или полностью в сплавной части, соответствующей ядру Земли. Теория динамо предполагает, что конвекция во внешнем ядре в сочетании с эффектом Кориолиса порождает магнитное поле Земли. Твердое внутреннее ядро слишком горячее для поддержания постоянного магнитного поля (см. температура Кюри), но, вероятно, способствует стабилизации магнитного поля, генерируемого жидким внешним ядром. Средняя величина магнитного поля во внешнем ядре Земли оценивается в , что в 50 раз превышает напряженность магнитного поля на поверхности.

Сейсмология

Слои Земли были установлены косвенно на основе времени прохождения преломленных и отраженных сейсмических волн, возникающих при землетрясениях. Ядро не пропускает поперечные волны, в то время как скорость распространения (сейсмическая скорость) различна в других слоях. Изменения сейсмической скорости между слоями приводят к преломлению согласно закону Снеллиуса, подобно тому, как свет изгибается при прохождении через призму. Аналогично, отражения вызываются резким увеличением сейсмической скорости и напоминают отражение света от зеркала.