Строение и состав Земли

Кратко о главном

По составу Земля делится на кору (от 5–10 км под океанами до 30–70 км под континентами), мантию из силикатных пород до глубины 2891 км и железное ядро: внешнее — жидкое, внутреннее (глубже 5150 км) — твёрдое.
По прочности выделяют литосферу — кору вместе с верхней частью мантии, толщиной от километров у срединно-океанических хребтов до 200–250 км под древними щитами, — и под ней более слабую астеносферу. Граница коры и мантии проведена по смене пород, подошва литосферы — по температуре (около 1300 °C) и прочности.
Средняя плотность Земли 5,5 г/см³ вдвое выше плотности пород коры (2,6–3,0 г/см³): тяжёлое вещество сосредоточено в ядре (10–13 г/см³).
Строение недр восстанавливают по сейсмическим волнам: на границах оболочек их скорости меняются скачком, а поперечные волны не проходят через жидкое внешнее ядро.
Изостазия: на глубине компенсации вес всех столбов пород одинаков, поэтому горы имеют корни, бассейн под нагрузкой осадков погружается, а размываемая территория поднимается.
Тепловой поток из недр — в среднем около 65 мВт/м² на континентах и 100 мВт/м² в океанах; заметную его часть дают уран, торий и калий коры. Градиент температуры равен потоку, делённому на теплопроводность, и с глубиной уменьшается.

Ключевые соотношения

V_p = \sqrt{\dfrac{K + \tfrac{4}{3}G}{\rho}},\qquad V_s = \sqrt{\dfrac{G}{\rho}}

скорости продольной и поперечной волн; в жидкости $G = 0$ и $V_s = 0$

r = \dfrac{\rho_c}{\rho_m - \rho_c}\,h

корень гор высотой $h$ при местной изостатической компенсации (модель Эри)

S = \dfrac{\rho_m - \rho_w}{\rho_m - \rho_s}\,w

мощность осадков, заполняющих бассейн с исходной глубиной воды $w$

T(z) = T_0 + \dfrac{q_0}{\lambda}\,z - \dfrac{A}{2\lambda}\,z^2

температура в слое с теплопроводностью $\lambda$ и радиогенным теплом $A$

Где чаще всего ошибаются

Считать литосферу синонимом коры: в литосферу входит и верхняя часть мантии, а под континентами — большая часть её толщины.
Считать астеносферу или мантию жидкой: они твёрдые (поперечные волны через них проходят), но за миллионы лет медленно текут.
Продлевать приповерхностный геотермический градиент на десятки километров: температура у подошвы коры выйдет завышенной на сотни градусов.
Применять изостазию к отдельной горе или узкой складке: небольшие нагрузки держит прочность литосферы, а не плавучесть.

После урока вы сможете

назвать оболочки Земли, глубины их границ, состав, плотность и температуру и не путать деление по составу (кора, мантия, ядро) с делением по прочности (литосфера, астеносфера);
объяснить, как строение недр восстанавливают по продольным и поперечным сейсмическим волнам, и рассчитывать упругие модули по скоростям волн;
оценить по массе и размерам Земли плотность ядра, а по плотности пород — давление на глубине;
применять принцип изостазии к горам, к осадочному бассейну под нагрузкой осадков и к размыву;
оценивать температуру на глубине по тепловому потоку с учётом радиогенного тепла коры и объяснять, почему приповерхностный градиент нельзя продлевать на десятки километров;
объяснить, зачем инженеру-нефтянику литосфера и осадочный чехол.

Оболочки Земли: общий план

Земля — шар со средним радиусом 6371 км, сложенный вложенными оболочками. Первыми их описали по составу: тонкая каменная кора, под ней до глубины 2891 км — мантия из более плотных силикатных пород, а в центре — ядро из железа с никелем: внешнее жидкое, внутреннее твёрдое.

Второе деление — по механическим свойствам. Кора вместе с верхним слоем мантии образует жёсткую литосферу, которая ведёт себя как единое упругое тело и разбита на плиты. Ниже лежит астеносфера — горячая и потому податливая часть мантии, по которой плиты медленно смещаются. Граница коры и мантии проведена по смене пород, а подошва литосферы — по смене прочности, которая зависит прежде всего от температуры. Поэтому это две разные поверхности, и подошва литосферы лежит намного глубже подошвы коры.

Оболочки Земли

Оболочка: Кора
Глубина, км: от поверхности до 5–70
Состояние и вещество: твёрдая; граниты, базальты, осадочные и метаморфические породы
Плотность, г/см³: 2,6–3,0

Оболочка: Верхняя мантия
Глубина, км: до 410
Состояние и вещество: твёрдая; перидотит — в основном оливин и пироксены
Плотность, г/см³: 3,3–3,5

Оболочка: Переходная зона
Глубина, км: 410–660
Состояние и вещество: твёрдая; те же минералы в более плотных модификациях
Плотность, г/см³: 3,7–4,0

Оболочка: Нижняя мантия
Глубина, км: 660–2891
Состояние и вещество: твёрдая; ещё более плотные силикаты и оксиды
Плотность, г/см³: 4,4–5,6

Оболочка: Внешнее ядро
Глубина, км: 2891–5150
Состояние и вещество: жидкое; железо с никелем и лёгкими элементами
Плотность, г/см³: 9,9–12,2

Оболочка: Внутреннее ядро
Глубина, км: 5150–6371
Состояние и вещество: твёрдое; железо с никелем
Плотность, г/см³: 12,8–13,1

Оболочка	Глубина, км	Состояние и вещество	Плотность, г/см³
Кора	от поверхности до 5–70	твёрдая; граниты, базальты, осадочные и метаморфические породы	2,6–3,0
Верхняя мантия	до 410	твёрдая; перидотит — в основном оливин и пироксены	3,3–3,5
Переходная зона	410–660	твёрдая; те же минералы в более плотных модификациях	3,7–4,0
Нижняя мантия	660–2891	твёрдая; ещё более плотные силикаты и оксиды	4,4–5,6
Внешнее ядро	2891–5150	жидкое; железо с никелем и лёгкими элементами	9,9–12,2
Внутреннее ядро	5150–6371	твёрдое; железо с никелем	12,8–13,1

Глубины границ и плотности — по сейсмологической модели Земли, округлённо. Плотность каждой оболочки растёт с глубиной из-за сжатия, а на границах меняется скачком.

Температура с глубиной растёт. У подошвы континентальной коры она обычно 400–800 °C, у подошвы литосферы — около 1300 °C, на границе ядра и мантии — около 3500–4000 °C, у границы внутреннего ядра и в центре — около 5000–6000 °C. Глубинные значения — оценки по опытам с веществом при высоких давлениях и по расчётам, и их неопределённость — сотни градусов. Давление в центре — около 364 ГПа, в 3,6 млн раз больше атмосферного.

СхемаОболочки Земли в разрезе. Границы проведены в масштабе радиуса; кора и литосфера при этом масштабе тоньше линии, поэтому их строение показано на следующем рисунке.

Земная кора и осадочный чехол

Кора бывает двух типов, и различаются они почти всем. Океаническая кора сложена базальтами и габбро — тёмными породами, богатыми железом, магнием и кальцием. Она тонкая, плотная и молодая: её постоянно создают срединно-океанические хребты и поглощают зоны, где одна плита уходит под другую, поэтому дна старше примерно 200 млн лет на Земле почти не осталось. Континентальная кора намного толще, в верхней части близка по составу к граниту, в нижней — к более тёмным и плотным породам. Она легче океанической и может быть очень древней — до 4 млрд лет.

Два типа земной коры

Свойство: Толщина
Океаническая: обычно 6–8 км
Континентальная: в среднем около 40 км; 20–30 км в зонах растяжения, до 70 км и больше под высокими горами

Свойство: Главные породы
Океаническая: базальты, габбро
Континентальная: граниты, гнейсы, осадочные породы; внизу — более основные породы

Свойство: Средняя плотность
Океаническая: около 2,9–3,0 г/см³
Континентальная: около 2,7–2,85 г/см³

Свойство: Возраст
Океаническая: моложе 200 млн лет
Континентальная: до 4 млрд лет

Свойство	Океаническая	Континентальная
Толщина	обычно 6–8 км	в среднем около 40 км; 20–30 км в зонах растяжения, до 70 км и больше под высокими горами
Главные породы	базальты, габбро	граниты, гнейсы, осадочные породы; внизу — более основные породы
Средняя плотность	около 2,9–3,0 г/см³	около 2,7–2,85 г/см³
Возраст	моложе 200 млн лет	до 4 млрд лет

Почти половину массы коры составляет кислород, больше четверти — кремний, около 8 % — алюминий; затем идут железо, кальций, натрий, калий и магний. Эти восемь элементов дают около 98 % массы коры, поэтому главные минералы коры — силикаты (Минералы и горные породы). Земля в целом устроена иначе: около трети её массы — железо, и почти всё оно ушло в ядро.

Подошву коры называют границей Мохоровичича, или просто Мохо (Moho): на ней скорость продольных сейсмических волн скачком возрастает примерно с 6,5–7 до 8 км/с. Её открыл в 1909 году хорватский сейсмолог Андрия Мохоровичич по записям землетрясения: на удалении в сотни километров от очага первыми приходили волны, прошедшие по более быстрым породам мантии (дополнительный раздел).

Сверху кора местами покрыта осадочным чехлом (sedimentary cover) — толщей осадочных пород, накопившихся в понижениях земной поверхности. Под ним лежит фундамент (basement) — магматические и метаморфические породы. На древних щитах чехла нет и фундамент выходит на поверхность, а в глубоких осадочных бассейнах чехол достигает 10–20 км. Почти все залежи нефти и газа находятся в осадочном чехле: здесь есть и породы, богатые органическим веществом, и пористые коллекторы, и покрышки (Нефтяная система и концепция плея).

СхемаВерхние 300 км под океаном и под континентом: кора, литосферная мантия и астеносфера. Граница Мохо проходит по смене пород, подошва литосферы — по изотерме около 1300 °C. Толщины типичные, а не одного конкретного места.

Мантия, ядро и давление в недрах

Мантия занимает около 83 % объёма Земли и две трети её массы. Её верхняя часть сложена перидотитом (peridotite) — тёмной плотной породой, в основном из оливина и пироксенов. Такие породы видны на поверхности в виде обломков, вынесенных вулканами, и в пластинах мантии, выдавленных при столкновении плит. С глубиной давление перестраивает кристаллические решётки минералов в более плотные: на глубинах около 410 и 660 км это даёт скачки плотности и скоростей волн, по которым выделяют переходную зону (transition zone).

Мантия твёрдая — через неё проходят поперечные волны, — но горячие породы под нагрузкой медленно ползут, как лёд в леднике. За десятки миллионов лет вещество мантии перемешивается конвекцией со скоростями порядка сантиметров в год; в том же темпе движутся и литосферные плиты (Тектоника плит и осадочные бассейны).

Ядро состоит из железа с примесью никеля (около 5 %) и нескольких процентов лёгких элементов — кислорода, кремния, серы и других: чистое железо при таких давлениях было бы примерно на 5–10 % плотнее, чем показывают сейсмические данные. Внешнее ядро жидкое; течения в нём, как в огромном динамо, создают магнитное поле Земли. Внутреннее ядро твёрдое, хотя и горячее: температура плавления железа растёт с давлением, и в центре она выше фактической температуры.

Самое простое свидетельство тяжёлого ядра — средняя плотность Земли. Массу планеты находят по её притяжению (по орбитам Луны и спутников), объём — по размерам; отношение даёт 5,51 г/см³. Породы на поверхности вдвое легче, и даже сжатые силикаты нижней мантии не тяжелее 5,6 г/см³ — значит, в центре сосредоточено вещество гораздо более плотное, чем любая горная порода.

Расчётный примерПлотность ядра по массе и размерам Земли

Исходные данные (условные)

Масса Земли $M$: $5{,}972\cdot 10^{24}$ кг
Средний радиус $R$: 6371 км
Радиус ядра $r_c$ (по сейсмическим данным): 3480 км
Средняя плотность мантии вместе с корой $\bar\rho_m$: 4450 кг/м³ (по сейсмологической модели)

Решение

Объём Земли $V = \tfrac43\pi R^3 = 1{,}0832\cdot 10^{21}$ м³; средняя плотность $M/V = 5513$ кг/м³.
Объём ядра $V_c = \tfrac43\pi r_c^3 = 1{,}7653\cdot 10^{20}$ м³ — 16,3 % объёма планеты.
Масса мантии и коры: $4450\cdot(V - V_c) = 4{,}0347\cdot 10^{24}$ кг.
Масса ядра: $5{,}972\cdot 10^{24} - 4{,}0347\cdot 10^{24} = 1{,}9373\cdot 10^{24}$ кг, или 32,4 % массы Земли.
Плотность ядра: $1{,}9373\cdot 10^{24}/(1{,}7653\cdot 10^{20}) = 10\,974$ кг/м³.

Ответ: Средняя плотность ядра — около 11,0 г/см³: занимая 16,3 % объёма Земли, оно несёт почти треть её массы.

Что это значит. Такой плотности нет ни у одной горной породы; её даёт только железо, сжатое давлением в сотни гигапаскалей (на поверхности плотность железа 7,9 г/см³). Результат чувствителен к плотности мантии: если взять её на 100 кг/м³ меньше, плотность ядра выйдет на 0,5 г/см³ больше, — но при любых разумных значениях ядро остаётся железным. Модель из двух однородных оболочек — упрощение: плотность растёт с глубиной и внутри мантии, и внутри ядра. Числа — округлённые значения для реальной Земли.

Давление в недрах создаёт вес вышележащих оболочек — так же, как горное давление в осадочном разрезе. При средней плотности коры 2,8 г/см³ столб высотой 40 км давит на своё основание с давлением $\rho g z \approx 1{,}1$ ГПа — около 11 тыс. атмосфер. На глубине 660 км давление около 23 ГПа, на границе ядра — 136 ГПа, в центре — около 364 ГПа. Ускорение свободного падения во всей мантии почти постоянно, около 10 м/с², и убывает до нуля только внутри ядра: масса, лежащая выше, притягивает во все стороны и не добавляет веса.

Литосфера и астеносфера

Литосфера — это кора плюс верхняя, сравнительно холодная часть мантии. Она жёсткая: на нагрузку она отвечает изгибом и разломами, а не течением. Её подошву обычно связывают с температурой около 1300 °C: глубже породы мантии настолько близки к плавлению, что за геологическое время текут даже под небольшими напряжениями.

Толщина литосферы меняется сильнее, чем толщина коры. У срединно-океанических хребтов, где поднимается горячее вещество мантии, она измеряется километрами. По мере удаления от хребта океаническая литосфера остывает и утолщается — примерно пропорционально корню из возраста, до 100 км под древним дном. Под молодыми рифтами и складчатыми областями континентальная литосфера тонкая и горячая, под древними щитами — холодная и достигает 200–250 км.

Под литосферой лежит астеносфера — слой, где скорости сейсмических волн понижены, а породы ослаблены; под океанами он особенно выражен на глубинах примерно 80–200 км. Причина — высокая температура и, возможно, небольшая доля расплава между зёрнами. Но в целом астеносфера твёрдая: она пропускает поперечные волны, а течёт лишь на временах в тысячи и миллионы лет. Поэтому литосфера может «плавать» на ней — об этом раздел об изостазии.

Два способа делить верхние оболочки

Что сравниваем: Верхний слой
По составу: кора
По прочности: литосфера: кора и верхняя мантия

Что сравниваем: Нижняя граница
По составу: Мохо: смена пород, скачок скоростей волн
По прочности: подошва литосферы: около 1300 °C

Что сравниваем: Что ниже
По составу: мантия
По прочности: астеносфера, затем остальная мантия

Что сравниваем: Для чего полезно
По составу: состав и плотность пород
По прочности: плиты, прогибы, изостазия, тепловой режим

Что сравниваем	По составу	По прочности
Верхний слой	кора	литосфера: кора и верхняя мантия
Нижняя граница	Мохо: смена пород, скачок скоростей волн	подошва литосферы: около 1300 °C
Что ниже	мантия	астеносфера, затем остальная мантия
Для чего полезно	состав и плотность пород	плиты, прогибы, изостазия, тепловой режим

Как узнают строение недр: сейсмические волны

Пробурить недра глубже первых 12 км не удалось, поэтому строение Земли восстанавливают косвенно, и главный источник сведений — сейсмические волны (seismic waves). Землетрясение или взрыв возбуждает в породах упругие волны двух типов. В продольной волне (P-волне, от primary) частицы колеблются вдоль направления распространения — порода попеременно сжимается и растягивается. В поперечной волне (S-волне, от secondary) частицы смещаются поперёк — порода испытывает сдвиг. Продольная волна быстрее и приходит первой.

Скорости продольной и поперечной волн

V_p = \sqrt{\frac{K + \tfrac{4}{3}G}{\rho}}, \qquad V_s = \sqrt{\frac{G}{\rho}}

где:

$V_p,\ V_s$ скорости продольной и поперечной волн, м/с
$K$ модуль всестороннего сжатия: сопротивление изменению объёма, Па
$G$ модуль сдвига: сопротивление изменению формы, Па
$\rho$ плотность, кг/м³

Единицы: СИ; если плотность взять в г/см³, а скорость в км/с, то $\rho V^2$ получается сразу в гигапаскалях

Справедливо, если

однородная изотропная упругая среда;
модули — динамические, при малых и быстрых деформациях, которые создаёт волна.

Скорость растёт с жёсткостью и падает с плотностью. В жидкости модуль сдвига равен нулю, поэтому поперечные волны в ней не распространяются, а продольные идут медленнее, чем шли бы в твёрдом теле с той же сжимаемостью. Те же формулы применяют в акустическом каротаже к породам у стенки скважины.

На границе пород с разными скоростями волна частично отражается и преломляется — меняет направление, как луч света на поверхности воды. Сейсмические станции по всему миру записывают время прихода волн от тысяч землетрясений, и по тому, как время пробега зависит от расстояния, восстанавливают изменение скоростей с глубиной. Так были найдены главные границы:

Мохо (1909) — по излому графика «время — расстояние»: на удалении в сотни километров от очага первыми приходят волны, прошедшие по быстрой мантии;
граница ядра (1914, Бено Гутенберг) — около 2900 км: в ядре продольные волны резко замедляются и преломляются так, что на эпицентральных расстояниях примерно от 103° до 142° прямых P-волн нет — это зона тени;
жидкое внешнее ядро — поперечные волны через него не проходят, поэтому дальше примерно 103° от очага прямых S-волн нет;
внутреннее ядро (1936, Инге Леман) — по слабым P-волнам, которые всё же приходят в зону тени: их отклоняет граница внутри ядра. Что оно твёрдое, подтвердили позже — по собственным колебаниям Земли после сильных землетрясений.

РасчётСкорости продольных и поперечных волн и плотность в зависимости от глубины по сейсмологической модели Земли. Во внешнем ядре скорость поперечных волн равна нулю.

Расчётный примерПочему на границе ядра продольная волна замедляется

Исходные данные (условные)

Нижняя мантия у границы ядра: $\rho = 5{,}57$ г/см³, $V_p = 13{,}72$ км/с, $V_s = 7{,}26$ км/с
Внешнее ядро у границы: $\rho = 9{,}90$ г/см³, $V_p = 8{,}06$ км/с, $V_s = 0$

Решение

Модуль сдвига мантии: $G = \rho V_s^2 = 5{,}57\cdot 7{,}26^2 = 293{,}6$ ГПа (плотность в г/см³, скорость в км/с).
Модуль всестороннего сжатия мантии: $K = \rho V_p^2 - \tfrac43 G = 1048 - 391 = 657$ ГПа.
Ядро: $G = 0$ , поэтому $K = \rho V_p^2 = 9{,}90\cdot 8{,}06^2 = 643$ ГПа.
Сравнение: модуль сжатия по обе стороны границы различается всего на 2 %, плотность растёт в 1,78 раза, модуль сдвига исчезает.

Ответ: Вещество по обе стороны границы сжимается почти одинаково (657 и 643 ГПа). Продольная волна замедляется с 13,72 до 8,06 км/с потому, что ядро жидкое — у него нет сопротивления сдвигу — и почти вдвое плотнее.

Что это значит. Если бы ядро было твёрдым, с тем же модулем сдвига, что у мантии, продольная волна шла бы в нём со скоростью около 10,2 км/с. Резкое падение скорости вместе с отсутствием поперечных волн и показали, что внешнее ядро жидкое. Скорости и плотности — округлённые значения сейсмологической модели Земли.

Изостазия: литосфера плавает на мантии

Почему континенты стоят над уровнем моря, а дно океанов лежит на глубине 4–5 км? Почему горы не продавливают кору? Ответ даёт изостазия (isostasy) — равновесие лёгкой литосферы на более плотной и податливой мантии. Его можно сравнить с брусками дерева в воде: чем выше брусок выступает над водой, тем глубже он в неё погружён.

Условие равновесия: на некоторой глубине компенсации (compensation depth) — ниже самых глубоких корней, в податливой мантии — давление под любым участком одинаково, то есть столбы пород равного сечения весят одинаково. Если где-то нагрузка возросла, столб погружается, вытесняя мантию в стороны, пока равновесие не восстановится; если нагрузку сняли — поднимается.

Корень гор при местной компенсации (модель Эри)

r = \frac{\rho_c}{\rho_m - \rho_c}\,h

где:

$r$ глубина корня: насколько подошва коры под горами глубже, чем под равниной с нормальной корой, км
$h$ высота гор над поверхностью этой равнины, км
$\rho_c$ плотность коры, г/см³
$\rho_m$ плотность верхней мантии, г/см³

Единицы: любые согласованные: $r$ и $h$ в одних единицах длины, плотности в одних единицах

Справедливо, если

плотность коры везде одинакова, меняется только её толщина (модель Эри; в модели Пратта, наоборот, меняется плотность при общей глубине подошвы);
компенсация местная: каждый столб уравновешен сам по себе, прочность литосферы не учитывается;
под горами и под равниной одна и та же мантия.

При обычных плотностях ( $\rho_c \approx 2{,}8$ , $\rho_m \approx 3{,}3$ г/см³) корень в 5–6 раз глубже высоты гор. Поэтому под высокими хребтами кора самая толстая.

Расчётный примерКорень хребта и подъём при размыве

Исходные данные (условные)

Нормальная кора равнины: 40 км, плотность 2,8 г/см³
Плотность верхней мантии: 3,3 г/см³
Хребет: в среднем на 3,0 км выше равнины
Размыв: с хребта сносится слой пород толщиной 1,0 км той же плотности

Решение

Корень: $r = \dfrac{2{,}8}{3{,}3 - 2{,}8}\cdot 3{,}0 = 16{,}8$ км; толщина коры под хребтом $40 + 3{,}0 + 16{,}8 = 59{,}8$ км.
Сняли 1 км пород — столб стал легче, и мантия выталкивает его вверх на $1{,}0\cdot 2{,}8/3{,}3 = 0{,}848$ км.
Поверхность хребта понизилась лишь на $1{,}0 - 0{,}848 = 0{,}152$ км. Чтобы понизить её на 1 км, надо снести $3{,}3/(3{,}3 - 2{,}8) = 6{,}6$ км пород.

Ответ: Под хребтом высотой 3 км подошва коры на 16,8 км глубже, чем под равниной, а толщина коры — 59,8 км вместо 40. Размыв 1 км пород понижает хребет всего на 152 м.

Что это значит. Горы «сопротивляются» размыву: пока корень не исчез, мантия подпирает их снизу. Для нефтяника важнее обратная сторона: в поднятых и размытых районах породы, которые сейчас лежат неглубоко, когда-то были погружены гораздо глубже — сильнее уплотнены и прогреты, чем позволяет их современная глубина (Нефтематеринские породы, созревание и миграция). Расчёт предполагает местную компенсацию, поэтому для нагрузок шириной в десятки километров он завышает и корень, и подъём при размыве: часть нагрузки держит изгибная жёсткость литосферы. Данные примера условные.

Тот же принцип объясняет, почему осадочные бассейны бывают такими глубокими. Пусть бассейн заполнен водой на глубину $w$ и в него начинают поступать осадки. Каждый метр осадков тяжелее воды, которую он вытеснил, и дно под ним опускается. Пока осадки поступают, бассейн продолжает углубляться, и в итоге толща осадков оказывается в 2–3 раза мощнее исходной глубины воды.

Мощность осадков, заполнивших бассейн (местная компенсация)

S = \frac{\rho_m - \rho_w}{\rho_m - \rho_s}\,w

где:

$S$ мощность осадков, заполнивших бассейн до прежнего уровня воды, км
$w$ исходная глубина воды в бассейне, км
$\rho_m,\ \rho_w,\ \rho_s$ плотности мантии, воды и осадков (средняя по толще), г/см³

Единицы: любые согласованные

Справедливо, если

бассейн заполнен до прежнего уровня воды, уровень моря не менялся;
компенсация местная; литосфера под бассейном за время заполнения не растягивается и не остывает;
средняя плотность осадков постоянна (на деле она растёт по мере их уплотнения).

Чем плотнее осадки, тем сильнее они продавливают дно и тем мощнее толща; при $\rho_s \to \rho_m$ толща росла бы без предела: каждый новый метр осадков погружался бы на метр, и глубина воды не уменьшалась бы. Нагрузка осадков не создаёт бассейн, но углубляет начальный прогиб, возникший при растяжении или остывании литосферы, в 2–3 раза (Тектоника плит и осадочные бассейны).

Расчётный примерСколько осадков вмещает бассейн глубиной 2 км

Исходные данные (условные)

Исходная глубина воды $w$: 2,0 км
Плотности: мантия 3,3; морская вода 1,03; осадки в среднем 2,4 г/см³
Нормальная кора соседних районов: 40 км, 2,8 г/см³, поверхность у уровня моря

Решение

Мощность осадков: $S = \dfrac{3{,}3 - 1{,}03}{3{,}3 - 2{,}4}\cdot 2{,}0 = 5{,}04$ км; дно опустилось ещё на 3,04 км.
Если осадки плотнее, 2,6 г/см³: $S = \dfrac{2{,}27}{0{,}7}\cdot 2{,}0 = 6{,}49$ км; если легче, 2,2 г/см³: $S = \dfrac{2{,}27}{1{,}1}\cdot 2{,}0 = 4{,}13$ км.
Какой была кора под бассейном: чтобы дно стояло на 2 км ниже соседних равнин, кора должна быть тоньше нормальной на $2{,}0\cdot 2{,}27/0{,}5 = 9{,}08$ км, то есть 30,92 км. После заполнения подошва этой коры опустится до $5{,}04 + 30{,}92 = 35{,}96$ км.

Ответ: Бассейн с исходной глубиной воды 2 км вмещает около 5,04 км осадков; чем плотнее осадки, тем больше.

Что это значит. Так в бассейнах накапливаются многокилометровые толщи, хотя море в них никогда не было глубже первых километров. Расчёт упрощён: плотность осадков растёт с уплотнением, часть нагрузки держит прочность литосферы (тогда осадков вмещается меньше), а литосфера под бассейном продолжает остывать и проседать (тогда больше). Всё это учитывают при восстановлении истории погружения (Ловушки и время их формирования). Данные примера условные.

РасчётТри столба по данным двух примеров, в масштабе: равнина с нормальной корой, хребет с корнем и бассейн, заполненный осадками. На уровне компенсации все три давят одинаково.

Изостазия — приближение для больших площадей. Отдельную гору, вулканический остров или узкую складку держит прочность литосферы: она прогибается, как доска под грузом, и распределяет нагрузку на сотни километров вокруг. Отклонения от равновесия видны в аномалиях силы тяжести, а там, где равновесие нарушено недавно, оно восстанавливается на глазах: после таяния ледников последнего оледенения берега Ботнического и Гудзонова заливов поднимаются до сантиметра в год. Аномалии силы тяжести используют и в разведке: например, соль легче окружающих пород и над соляными куполами сила тяжести обычно понижена (Геофизические методы разведки).

Тепло Земли: тепловой поток и температура на глубине

Земля медленно остывает. В литосфере тепло идёт к поверхности теплопроводностью, в мантии и жидком ядре — главным образом конвекцией. Источников тепла два: тепло, запасённое при образовании планеты, и тепло радиоактивного распада урана, тория и калия-40 — тех же элементов, излучение которых регистрирует гамма-каротаж. По современным оценкам, их доли в общем потоке сопоставимы; радиоактивные элементы особенно сконцентрированы в континентальной коре.

Мерой служит тепловой поток $q$ (heat flow) — тепло, проходящее за секунду через квадратный метр поверхности; его выражают в милливаттах на квадратный метр. Его находят по замерам температуры в скважинах и теплопроводности керна: поток равен произведению теплопроводности на геотермический градиент. Через континенты в среднем проходит около 65 мВт/м², через дно океанов — около 100 мВт/м²; всего Земля теряет около 46 ТВт. Это в несколько тысяч раз меньше, чем она получает от Солнца, поэтому погоду и климат недра почти не греют.

Тепловой поток в разных областях

Область: Древние щиты и платформы
Тепловой поток, мВт/м²: около 40–55
Почему: толстая холодная литосфера

Область: Большинство осадочных бассейнов
Тепловой поток, мВт/м²: 40–80
Почему: зависит от возраста и толщины литосферы под бассейном и от радиогенного тепла коры

Область: Молодые рифты и вулканические области
Тепловой поток, мВт/м²: 80–120 и больше
Почему: тонкая горячая литосфера, подъём горячего вещества мантии

Область: Океаническое дно
Тепловой поток, мВт/м²: от более чем 200 у хребтов до 45–50 на древнем дне
Почему: литосфера остывает по мере удаления от хребта

Область	Тепловой поток, мВт/м²	Почему
Древние щиты и платформы	около 40–55	толстая холодная литосфера
Большинство осадочных бассейнов	40–80	зависит от возраста и толщины литосферы под бассейном и от радиогенного тепла коры
Молодые рифты и вулканические области	80–120 и больше	тонкая горячая литосфера, подъём горячего вещества мантии
Океаническое дно	от более чем 200 у хребтов до 45–50 на древнем дне	литосфера остывает по мере удаления от хребта

Ориентировочные значения; отдельные замеры выходят за эти пределы из-за движения подземных вод, недавнего осадконакопления или размыва.

Градиент температуры в каждом слое равен тепловому потоку, делённому на теплопроводность пород, $G_T = q/\lambda$ (пример со слоем соли). При потоке 65 мВт/м² и теплопроводности 2,5 Вт/(м·К) это 26 °C/км — типичный приповерхностный градиент. Но продлевать его вглубь нельзя: радиоактивные элементы, рассеянные в коре, сами выделяют тепло, и через глубокие слои проходит меньший поток, чем через приповерхностные. Поэтому градиент убывает с глубиной.

Температура в слое, выделяющем радиогенное тепло

T(z) = T_0 + \frac{q_0}{\lambda}\,z - \frac{A}{2\lambda}\,z^2

где:

$T(z)$ температура на глубине $z$ , °C
$T_0$ среднегодовая температура поверхности, °C
$q_0$ тепловой поток у поверхности, Вт/м²
$\lambda$ теплопроводность пород слоя, Вт/(м·К)
$A$ теплогенерация (heat production) — тепло радиоактивного распада, выделяемое в 1 м³ породы (обычно указывают в мкВт/м³), Вт/м³
$z$ глубина, м

Единицы: СИ: $q_0$ в Вт/м², $A$ в Вт/м³, $\lambda$ в Вт/(м·К), $z$ в м; температура в °C

Справедливо, если

установившийся одномерный перенос тепла теплопроводностью, без движения подземных вод;
$\lambda$ и $A$ постоянны в слое толщиной $D$ ; ниже, где $A \approx 0$ , градиент постоянен и равен $(q_0 - A D)/\lambda$ ;
нет недавнего нагрева или остывания: рифтинг, быстрое осадконакопление и размыв нарушают установившийся профиль.

Радиогенное тепло делает профиль температуры выпуклым: градиент наибольший у поверхности и убывает с глубиной. Величину $q_m = q_0 - A D$ называют приведённым, или мантийным, тепловым потоком (reduced heat flow): это тепло, приходящее из-под радиогенного слоя.

Расчётный примерТемпература у подошвы коры: с радиогенным теплом и без него

Исходные данные (условные)

Поверхность: $T_0 = 10$ °C, тепловой поток $q_0 = 65$ мВт/м²
Верхняя кора 0–15 км: теплогенерация $A = 1{,}8$ мкВт/м³
Глубже 15 км: радиогенным теплом пренебрегаем
Теплопроводность: кора 2,5, мантия 3,0 Вт/(м·К); подошва коры на глубине 40 км

Решение

Приповерхностный градиент: $q_0/\lambda = 0{,}065/2{,}5$ К/м $= 26$ °C/км. Радиогенный слой даёт $A D = 1{,}8\cdot 15 = 27$ мВт/м² (мкВт/м³ × км = мВт/м²), снизу приходит $q_m = 65 - 27 = 38$ мВт/м².
Глубина 15 км. Без радиогенного тепла было бы $10 + 26\cdot 15 = 400$ °C; слой уменьшает эту величину на $A z^2/(2\lambda) = 81$ °C, итого 319 °C.
От 15 до 40 км градиент $q_m/\lambda = 0{,}038/2{,}5$ К/м $= 15{,}2$ °C/км; у подошвы коры $319 + 15{,}2\cdot 25 = 699$ °C.
Продление приповерхностного градиента дало бы на 40 км $10 + 26\cdot 40 = 1050$ °C — на 351 °C больше.
В мантии градиент $0{,}038/3{,}0$ К/м $= 12{,}67$ °C/км; 1300 °C — подошва литосферы — на глубине $40 + (1300 - 699)/12{,}67 = 87{,}4$ км.

Ответ: У подошвы коры около 699 °C, а не 1050 °C; подошва литосферы в этой модели — на глубине около 87 км.

Что это значит. Продление приповерхностного градиента завысило бы температуру у подошвы коры на 351 °C — ошибка того же порядка, что и сама температура. В пределах первых 5 км, где находятся залежи, радиогенная поправка в этой модели — лишь 9 °C, поэтому для пластов достаточно градиента, найденного по скважинам, с учётом теплопроводности пород (Пластовое давление и температура). Однако глинистые толщи сами выделяют 1–2 мкВт/м³ и плохо проводят тепло, и в мощных глинистых разрезах поправка заметнее. Модель стационарная: в молодых рифтах и быстро погружающихся бассейнах профиль ещё не установился. Два других упрощения действуют в разные стороны: тепло нижней коры, которым мы пренебрегли, уменьшило бы поток из мантии и понизило температуру у подошвы коры (подошва литосферы оказалась бы глубже), а уменьшение теплопроводности пород при нагреве её повысило бы. Данные примера условные.

РасчётТемпература по глубине для данных примера: с радиогенным теплом верхней коры (сплошная линия) и при продлении приповерхностного градиента (штриховая). Отмечены подошва коры и температура 1300 °C у подошвы литосферы.

Что из этого важно нефтянику

Осадочный чехол — место залежей. Нефть и газ образуются из органического вещества осадков и скапливаются в осадочных коллекторах под покрышками, поэтому поиски начинают с бассейна с достаточно мощным чехлом (Нефтяная система и концепция плея). Фундамент бывает коллектором лишь там, где он трещиноват или выветрен (Минералы и горные породы).
Тепловой поток задаёт зрелость. От него зависит, на какой глубине нефтематеринская порода входит в нефтяное окно: в горячем бассейне — на меньшей, в холодном — на большей (Нефтематеринские породы, созревание и миграция). Он же задаёт пластовую температуру, а с ней свойства флюидов (Пластовое давление и температура).
Прогибание создаёт место для осадков, а подъём и размыв выводят ранее погружённые породы ближе к поверхности — уплотнёнными и прогретыми сильнее, чем позволяет их современная глубина.
Вес пород и напряжения в литосфере определяют горное давление, давление гидроразрыва и устойчивость ствола (Поровое и горное давление, Градиент гидроразрыва и испытание на поглощение, Механика горных пород для гидроразрыва). Жёсткая литосфера передаёт напряжения от границ плит на тысячи километров, и они задают преобладающие направления природных трещин и трещин гидроразрыва.
Сейсмические волны — главный инструмент разведки. Сейсморазведка просвечивает осадочный чехол теми же продольными и поперечными волнами, что и весь земной шар, только на частотах в десятки герц и на глубинах в первые километры (Геофизические методы разведки).

Термины и обозначения

Кора: верхняя каменная оболочка: океаническая (обычно 6–8 км, базальты и габбро) и континентальная (в среднем около 40 км, граниты, метаморфические и осадочные породы).
Мантия: силикатная оболочка от подошвы коры до глубины 2891 км; твёрдая, но за миллионы лет медленно течёт.
Ядро: железо-никелевое ядро: внешнее жидкое (2891–5150 км), внутреннее твёрдое.
Литосфера: жёсткая оболочка из коры и верхней части мантии; подошва — около 1300 °C; разбита на плиты.
Астеносфера: ослабленный, горячий слой мантии под литосферой, по которому плиты смещаются.
Граница Мохоровичича (Мохо): подошва коры: скачок скорости продольных волн примерно до 8 км/с.
P- и S-волны: продольные (сжатие — растяжение) и поперечные (сдвиг) упругие волны; поперечные не проходят через жидкость.
Изостазия: равновесие литосферы на мантии: на глубине компенсации давление под всеми участками одинаково.
Тепловой поток $q$: тепло, проходящее через единицу площади поверхности в единицу времени, мВт/м²; равен теплопроводности, умноженной на градиент температуры.
Теплогенерация $A$: тепло радиоактивного распада урана, тория и калия в 1 м³ породы, мкВт/м³.
Осадочный чехол и фундамент: толща осадочных пород и подстилающие её магматические и метаморфические породы.

Частые ошибки и заблуждения

Неверно

«Литосфера — это земная кора».

На самом деле

Литосфера включает кору и верхнюю часть мантии; под континентами мантия составляет большую часть её толщины. Граница коры и мантии (Мохо) проведена по составу, подошва литосферы — по прочности и температуре.

Неверно

«Под корой — океан жидкой магмы».

На самом деле

Мантия твёрдая: через неё проходят поперечные волны. Расплав появляется лишь местами — под вулканами, рифтами и срединно-океаническими хребтами. Из оболочек Земли жидкое только внешнее ядро.

Неверно

«Если в скважине градиент 30 °C/км, то на глубине 30 км будет 900 °C».

На самом деле

Градиент убывает с глубиной: часть потока рождается радиоактивным распадом в верхней коре, и через глубокие слои проходит меньший поток. Продление приповерхностного градиента завышает температуру на сотни градусов.

Неверно

«Раз в бассейне 6 км осадков, когда-то там было море глубиной 6 км».

На самом деле

Осадки сами продавливают дно: при местной компенсации бассейн с исходной глубиной воды 2 км вмещает около 5 км осадков. Начальный прогиб создаёт растяжение или остывание литосферы, нагрузка осадков углубляет его в 2–3 раза.

Неверно

«Ядро плотное, потому что состоит из тех же пород, только сильно сжатых».

На самом деле

Даже сжатые силикаты нижней мантии не тяжелее 5,6 г/см³. Плотность ядра 10–13 г/см³ даёт только железо с никелем.

Подробно: для продвинутых

Как находят глубину Мохо по преломлённым волнам

Пусть кора толщиной $h$ со скоростью продольных волн $V_1$ лежит на мантии со скоростью $V_2 > V_1$ . Волна, падающая на границу под критическим углом $i_c$ , для которого $\sin i_c = V_1/V_2$ , скользит вдоль кровли мантии со скоростью $V_2$ и по пути всё время отдаёт энергию обратно в кору. Это головная волна (head wave) — та же, что приходит первой в акустическом каротаже. На малых расстояниях от источника первой приходит прямая волна по коре, на больших — головная: её путь длиннее, но большую часть она проходит по быстрой мантии.

Расстояние, на котором головная волна обгоняет прямую

x_c = 2h\,\sqrt{\frac{V_2 + V_1}{V_2 - V_1}}

где:

$x_c$ расстояние от источника, на котором первыми начинают приходить головные волны (излом графика «время — расстояние»), км
$h$ толщина верхнего слоя (коры), км
$V_1,\ V_2$ скорости продольных волн в коре и в верхней мантии, км/с

Единицы: любые согласованные

Справедливо, если

граница горизонтальна, слои однородны;
источник и приёмники на поверхности.

По графику времени первых вступлений находят $V_1$ и $V_2$ — это величины, обратные наклонам его двух прямолинейных ветвей, — и точку излома $x_c$ , а из неё толщину коры.

Расчётный примерТолщина коры по излому графика «время — расстояние»

Исходные данные (условные)

Скорость по ветви прямой волны $V_1$: 6,4 км/с
Скорость по ветви головной волны $V_2$: 8,1 км/с
Излом графика $x_c$: 210 км

Решение

Толщина коры: $h = \dfrac{x_c}{2}\sqrt{\dfrac{V_2 - V_1}{V_2 + V_1}} = 105\cdot\sqrt{1{,}7/14{,}5} = 105\cdot 0{,}3424 = 36{,}0$ км.
Критический угол $i_c = \arcsin(6{,}4/8{,}1) = 52{,}2°$ ; головная волна выходит на поверхность начиная с расстояния $2h\,\mathrm{tg}\,i_c \approx 93$ км.

Ответ: Толщина коры — около 36,0 км.

Что это значит. Именно так была найдена граница коры и мантии: на записях землетрясения на удалении в сотни километров от очага первыми приходили волны со скоростью около 8 км/с. На практике граница наклонена, а скорость в коре растёт с глубиной, поэтому наблюдения ведут во встречных направлениях и решают обратную задачу численно. Данные примера условные.

Радиогенное тепло по содержанию калия, урана и тория

Теплогенерацию породы рассчитывают по содержанию тех же трёх элементов, которые измеряет спектрометрический гамма-каротаж:

Теплогенерация по содержанию урана, тория и калия

A = 10^{-5}\,\rho\,\left(9{,}52\,C_U + 2{,}56\,C_{Th} + 3{,}48\,C_K\right)

где:

$A$ теплогенерация породы, мкВт/м³
$\rho$ плотность породы, кг/м³
$C_U,\ C_{Th}$ содержание урана и тория, ppm (г/т)
$C_K$ содержание калия, % по массе

Единицы: $A$ — мкВт/м³, $\rho$ — кг/м³, $C_U$ и $C_{Th}$ — ppm, $C_K$ — % по массе

Справедливо, если

коэффициенты — тепло распада, выделяемое 1 кг природного урана (около 95 мкВт), тория (около 26 мкВт) и калия (около 0,0035 мкВт), пересчитанное на принятые единицы содержаний; в разных сводках констант распада они расходятся на несколько процентов;
ряды урана и тория в радиоактивном равновесии.

Вклад урана на единицу содержания самый большой, но тория в породах обычно в 3–4 раза больше, поэтому в гранитах и глинах уран и торий дают сопоставимые доли тепла, а калий — меньшую.

Расчётный примерСколько тепла дают гранитный фундамент и глинистая толща

Исходные данные (условные)

Гранит: $\rho = 2650$ кг/м³; калий 4,0 %, уран 4 ppm, торий 16 ppm
Глина (аргиллит): $\rho = 2500$ кг/м³; калий 2,8 %, уран 3,5 ppm, торий 12 ppm
Толщины: гранитный слой — 10 км, глинистая толща — 3 км

Решение

Гранит: $A = 10^{-5}\cdot 2650\cdot(9{,}52\cdot 4 + 2{,}56\cdot 16 + 3{,}48\cdot 4{,}0) = 0{,}0265\cdot 92{,}96 = 2{,}46$ мкВт/м³.
Глина: $A = 0{,}025\cdot(9{,}52\cdot 3{,}5 + 2{,}56\cdot 12 + 3{,}48\cdot 2{,}8) = 0{,}025\cdot 73{,}78 = 1{,}84$ мкВт/м³.
Вклад в тепловой поток у поверхности ( $A$ × толщина): гранит — $2{,}46\cdot 10 = 24{,}6$ мВт/м², глины — $1{,}84\cdot 3 = 5{,}5$ мВт/м².

Ответ: Гранитный слой даёт около 24,6 мВт/м² — больше трети типичного континентального потока, глинистая толща — около 5,5 мВт/м².

Что это значит. Поэтому бассейн на гранитном фундаменте, богатом ураном и торием, может быть заметно теплее соседнего, и его нефтематеринские породы созревают на меньшей глубине. В чёрных глинах, богатых органическим веществом, урана бывает в разы больше среднего, поэтому теплогенерацию определяют по спектрометрии или анализам керна конкретного разреза. Содержания элементов в примере условные, но типичные для таких пород.

Связь с другими темами

Тектоника плит и осадочные бассейны — как движутся литосферные плиты и почему на их границах и внутри них возникают осадочные бассейны.
Минералы и горные породы — минералы и породы, из которых сложены кора и мантия.
Пластовое давление и температура — пластовая температура, геотермический градиент и тепловой поток через слои разной теплопроводности.
Нефтематеринские породы, созревание и миграция — как температура недр превращает органическое вещество в нефть и газ.
Поровое и горное давление — горное давление как вес вышележащих пород.
Акустический каротаж — скорости упругих волн в породах у стенки скважины.
Нефтяная система и концепция плея — элементы нефтяной системы в осадочном чехле.

Проверьте себя

1
Какая граница проведена по смене прочности, а не по смене состава или фазового состояния вещества?
1. А.Граница внешнего и внутреннего ядра
2. Б.Граница Мохоровичича
3. В.Граница ядра и мантии
4. Г.Подошва литосферы
Показать ответ
Правильный ответ: Г. Подошва литосферы
Мохо разделяет породы коры и мантии, граница ядра — силикаты и железо, граница внутреннего ядра — жидкое и твёрдое железо. Подошва литосферы лежит внутри мантии одного состава: выше неё породы холодные и жёсткие, ниже — горячие и податливые; её связывают с температурой около 1300 °C.
2
Почему поперечные волны не проходят через внешнее ядро?
1. А.Оно жидкое, и модуль сдвига равен нулю
2. Б.Оно слишком плотное
3. В.Оно слишком горячее
4. Г.Их поглощает магнитное поле
Показать ответ
Правильный ответ: А. Оно жидкое, и модуль сдвига равен нулю
$V_s = \sqrt{G/\rho}$ , а у жидкости нет сопротивления сдвигу: $G = 0$ , и поперечная волна не распространяется. Плотность и температура лишь меняют скорость волн; продольные волны через ядро проходят.
3
Плато поднято на 2 км над равниной с нормальной корой 35 км. Какова толщина коры под плато при местной компенсации, если плотность коры 2,75 г/см³, а мантии 3,30 г/см³?
Показать ответ
Корень $r = 2\cdot 2{,}75/(3{,}30 - 2{,}75) = 5{,}5/0{,}55 = 10$ км. Толщина коры под плато $35 + 2 + 10 = 47$ км. Расчёт годится для плато шириной в сотни километров; узкий хребет частично держит прочность литосферы, и корень у него меньше.
4
Бассейн с исходной глубиной воды 1,5 км заполнили осадками средней плотностью 2,5 г/см³ (плотность мантии 3,3, воды 1,0 г/см³). Какова мощность осадков при местной компенсации и почему она больше глубины воды?
Показать ответ
$S = 1{,}5\cdot(3{,}3 - 1{,}0)/(3{,}3 - 2{,}5) = 1{,}5\cdot 2{,}3/0{,}8 \approx 4{,}3$ км. Осадки тяжелее воды, которую вытесняют: их вес продавливает литосферу, мантия уходит в стороны, и дно опускается, освобождая место для новых осадков.
5
В скважине на глубине 3 км температура 100 °C при 10 °C на поверхности; теплопроводность пород 2,0 Вт/(м·К). Найдите тепловой поток. Можно ли тем же градиентом оценить температуру на глубине 25 км?
Показать ответ
Градиент $(100 - 10)/3 = 30$ °C/км, поток $q = \lambda G_T = 2{,}0\cdot 0{,}030 = 0{,}060$ Вт/м², то есть 60 мВт/м². Продлевать градиент на 25 км нельзя: часть потока рождается в самой коре радиоактивным распадом, глубже поток меньше, и температура окажется ниже тех 760 °C, которые дало бы продление; к тому же теплопроводность пород фундамента другая.
6
Средняя плотность Земли 5,5 г/см³, а пород коры — около 2,8 г/см³. Что из этого следует?
1. А.Ничего: средняя плотность не связана со строением
2. Б.Недра сложены теми же породами, что и кора, только сжатыми
3. В.С глубиной плотность растёт, и в центре находится вещество намного тяжелее горных пород
4. Г.Внутри Земли есть пустоты
Показать ответ
Правильный ответ: В. С глубиной плотность растёт, и в центре находится вещество намного тяжелее горных пород
Сжатие силикатов даёт в нижней мантии не больше 5,6 г/см³. Чтобы средняя плотность составила 5,5 г/см³, около трети массы должно приходиться на ядро плотностью около 11 г/см³ — это железо с никелем (пример в уроке).

Обновлено: 9 октября 2026 г.