Тема «Литосфера»

в 7-м классе

К.С. ЛАЗАРЕВИЧ

Как провести грамотные,
интересные и содержательные уроки
по предстоящим темам

Границы литосферы

Курс географии в 7-м классе начинается с того, что ученики возвращаются к темам, казалось бы, изученным в 6-м классе, — литосфера, атмосфера, гидросфера. Такое начало курса уже показывает, насколько ненадежны, зыбки знания, полученные в первый год обучения географии. И для 7-го класса эти темы достаточно сложны, о 6-м же и говорить не приходится. Постараемся проанализировать те трудности, которые встречаются в первых темах 7-го класса. При этом будем возвращаться к учебникам предыдущего года обучения, уточнять и исправлять некоторые положения, встречающиеся там.

Термин литосфера употребляется в науке давно — вероятно, с середины XIX в. Но современное значение он приобрел менее полувека назад. Еще в геологическом словаре издания 1955 г. сказано:
ЛИТОСФЕРА — то же, что земная кора.
В словаре издания 1973 г. и в последующих уже читаем:
ЛИТОСФЕРА ... в современном понимании включает земную кору ... и жесткую верхнюю часть верхней мантии Земли.

Обращаем внимание читателей на формулировку: верхнюю часть верхней мантии. Между тем в одном из учебников на рисунке указано: «Литосфера (земная кора и верхняя мантия)», а согласно рисунку получается, что вся мантия, которая не входит в состав литосферы, — нижняя (Крылова 6, с. 50, рис. 30). Кстати, в том же учебнике в тексте (с. 49) и в учебнике для 7-го класса (Крылова 7, с. 9) все верно: сказано о верхней части мантии. Верхняя мантия — это геологический термин, обозначающий очень большой слой; верхняя мантия имеет мощность (толщину) до 500, по некоторым классификациям — свыше 900 км, а в состав литосферы входят лишь верхние от нескольких десятков до двух сотен километров. Всё это трудно не только для учеников, но и для учителей. Лучше было бы вообще отказаться в школе от термина литосфера, ограничившись упоминанием земной коры; но тут возникают литосферные плиты, и без литосферы уже никак. Возможно, поможет рис. 1, его нетрудно перечертить в увеличенном виде. Говоря о литосфере, нужно твердо помнить, что в ее состав входят земная кора и верхний, сравнительно тонкий слой мантии, но не верхняя мантия — последний термин гораздо шире.

Слои литосферы

Земную кору с упорством, достойным лучшего применения, во всех учебниках продолжают делить на три слоя — осадочный, гранитный и базальтовый. А пора бы уже и сменить пластинку.
Бо’льшая часть сведений о глубинном строении Земли получена по косвенным, геофизическим данным — по скоростям распространения сейсмических волн, по изменениям величины и направления силы тяжести (ничтожным, уловимым только очень точными приборами), по магнитным свойствам и величине электропроводности пород. Масса плотных пород в одном и том же объеме больше, чем пород менее плотных, они создают увеличенное поле тяготения. В плотных породах ударные волны проходят быстрее (вспомните, что в воде звук распространяется заметно быстрее, чем в воздухе). Проходя через породы с разными физическим свойствами, волны отражаются, преломляются, поглощаются. Волны бывают поперечные и продольные, скорости их распространения различны. Исследуют прохождение природных ударных волн при землетрясениях, создают эти волны искусственно, производя взрывы^*.
Из всех этих данных складывается картина распределения по площади и в глубину пород с разными физическими свойствами. На ее основе создают модель строения недр Земли: подбирают горные породы, физические свойства которых более или менее совпадают со свойствами, определенными при помощи косвенных методов, и мысленно помещают эти породы на соответствующую глубину. Когда удается пробурить скважину до глубины, прежде недоступной, или получить какие-нибудь другие достоверные данные, эта модель подтверждается полностью или частично. Бывает же, что и не подтверждается вообще, приходится строить новую. Ведь отнюдь не исключено, что на глубине залегают породы, каких мы на поверхности вообще не встречаем, или что на глубине, при высоких температуре и давлении, до неузнаваемости изменятся свойства хорошо известных нам пород.
В 1909 г. сербский геофизик Андрей Мохоро’вичич заметил, что на глубине 54 км резко, скачкообразно возрастают скорости сейсмических волн. В дальнейшем этот скачок был прослежен по всему земному шару на глубинах от 5 до 90 км и известен ныне как граница (или поверхность) Мохоровичича, короче — граница Мохо, еще короче — граница М. Поверхность М считают нижней границей земной коры. Важная особенность этой поверхности состоит в том, что она в общих чертах представляет собой как бы зеркальное отражение рельефа земной поверхности: под океанами она выше, под континентальными равнинами ниже, под наиболее высокими горами опускается ниже всего (это так называемые корни гор).
Эту особенность земной коры, наверное, нетрудно будет объяснить школьникам, пустив плавать в прозрачном сосуде с водой несколько разных по форме деревяшек, желательно тяжелых, чтобы уходили в воду на ²/₃ — ³/₄; те из них, которые выше выступают над водой, окажутся и глубже погруженными (рис. 2).

Согласно традиционному представлению о строении земной коры, о котором можно прочитать в любом учебнике, в составе земной коры принято выделять три основных слоя. Верхний из них сложен преимущественно осадочными породами и называется осадочным. Два нижних слоя носят названия «гранитный» и «базальтовый». Соответственно, выделяют и два типа земной коры. Континентальная кора содержит все три слоя и имеет мощность 35—50 км, под горами до 90 км. В океанической коре осадочный слой имеет значительно меньшую мощность, а средний, «гранитный» слой отсутствует; мощность океанической коры — 5—10 км (рис. 3). Между «гранитным» и «базальтовым» слоями лежит граница Конрада, названная по фамилии открывшего ее австрийского геофизика; в школьных учебниках ее не упоминают.

Но исследования последних двух десятилетий показали, что эта стройная, легко запоминающаяся схема плохо согласуется с действительностью. «Гранитный» и «базальтовый» слои состоят преимущественно из магматических и метаморфических пород. На границе Конрада происходит скачкообразное увеличение скоростей сейсмических волн. Такого увеличения скоростей можно ожидать при переходе волн из пород с плотностью 2,7 в породы с плотностью 3 г/см³, что примерно соответствует плотностям гранита и базальта. Поэтому вышележащий слой назвали «гранитным», а нижележащий «базальтовым». Но обратите внимание: эти названия везде в кавычках. Геофизики не считали эти слои состоящими из гранита и базальта, они лишь говорили о некоторой аналогии. Однако даже многие геологи не удержались от соблазна счесть, что «гранитный» слой — действительно из гранита, а «базальтовый» — из базальта. Что уж говорить об авторах школьных учебников!
Коринская, с. 20, рис. 8. Подписи к условным знакам: «Слой осадочных пород. Слой гранита. Слой базальта».
Петрова, с. 47—48. «Мы входим в гранитный слой Земли. Гранит ... образовался из магмы в толще земной коры... Вступаем в слой базальта — горной породы глубинного происхождения». (Кстати, это неверно: базальт не глубинная, а излившаяся порода.)
Финаров, с. 15 и Крылова 7, с. 10, рис. 1 — гранитный и базальтовый слои названы без кавычек, и ученик ясно видит, что они состоят из этих горных пород.
Необходимая оговорка сделана лишь в одном учебнике, но достаточна ли она, чтобы на нее обратили внимание?
«В материковой [коре] залегает слой, который называется гранитным. Он сложен магматическими и метаморфическими породами, близкими по составу и плотности к гранитам... Нижним слоем земной коры является слой, условно названный базальтовым; он ... состоит из пород, плотность которых близка к базальтам» (Крылова, Герасимова, с. 10).
Одной из задач Кольской сверхглубокой скважины** было достижение границы Конрада, которая, согласно геофизическим данным, залегает в этом месте на глубине 7—8 км. И пожалуй, важнейшим геологическим результатом бурения оказалось доказательство отсутствия границы Конрада в ее геологическом понимании: в каких породах скважина шла выше установленной геофизиками границы, в таких же прошла она и несколькими километрами ниже ее.

Рис. 4. Строение континентальной и океанической земной коры по современным представлениям

Да и геофизическая судьба у границы Конрада оказалась не такая славная, как у границы Мохоровичича. Кое-где ее выделили уверенно, в других местах — менее уверенно (то ли она одна, то ли не одна), где-то вообще не нашли. Появилась необходимость отказаться от терминов «гранитный слой» и «базальтовый слой», хотя бы и в кавычках, и признать, что границы Конрада не существует. Современная модель строения земной коры выглядит гораздо сложнее, чем классическая трехслойная (рис. 4). В ней по-прежнему выделяются континентальная кора и океаническая. Характерными признаками континентальной коры можно считать значительную (десятки километров) толщину, увеличение плотности книзу — постепенное или скачкообразное; осадочный слой в пределах континентальной коры обычно более мощен, чем в пределах океанической. Океаническая кора гораздо тоньше, более однородна по составу; применительно к ней можно говорить о базальтовом слое и без кавычек, так как океаническое дно сложено преимущественно базальтами.

^* Подробнее см.: И.Н. Галкин. В океан за корой//География, № 42/97, с. 6—7, 13.
^** Подробнее см.: Т.С. Минц, М.В. Минц. Кольская сверхглубокая//География, № 33/99, с. 1—4.

Теория литосферных плит

Эта теория обычно очень привлекательна для учеников. Она изящна и, казалось бы, все объясняет. Многие недоумения, которые возникают у ученых в связи с ней, касаются вопросов столь сложных, что в школе даже говорить о них не стоит (например, кто из неспециалистов сумеет оценить правомерность сомнений, возникающих в связи с перераспределением теплового потока из недр Земли к поверхности?). Но нужно сказать ученикам о том, что есть в этой теории нерешенные проблемы, которые, возможно, еще заставят пересмотреть ее — скорее всего не целиком, а в некоторых деталях.
По текстам учебников школьники могут сделать вывод, что тектоника плит — это уточнение гипотезы Альфреда Вегенера, мирно пришедшее ей на смену. На самом деле это не так. У Вегенера материки, сложенные сравнительно легким веществом, которое он называл сиаль (силициум-алюминий), как бы плавали по поверхности вещества более тяжелого — сима (силициум-магния). Поначалу гипотеза покорила чуть не всех, ее приняли с восторгом. Но через 2—3 десятилетия выяснилось, что физические свойства пород не допускают такого плавания, и на теории дрейфа материков был поставлен жирный крест. И как это часто бывает, вместе с водой выплеснули дитя: теория плоха, значит, материки двигаться вообще не могут. Лишь к 60-м годам, то есть всего 40—45 лет назад, когда уже была открыта общемировая система срединно-океанических хребтов, построили практически новую теорию, в которой от гипотезы Вегенера осталось только изменение взаимного расположения материков, в частности объяснение сходства очертаний континентов по обе стороны Атлантики.
Важнейшее отличие современной тектоники плит от гипотезы Вегенера состоит в том, что у Вегенера материки двигались по веществу, которым сложено океаническое дно, в современной же теории в движении участвуют плиты, в состав которых входят участки и суши, и дна океана; границы между плитами могут проходить и по дну океана, и по суше, и по границам материков и океанов.
Движение литосферных плит происходит по астеносфере — слою верхней мантии, который подстилает литосферу и обладает вязкостью, пластичностью. Упоминания астеносферы в текстах учебников найти не удалось, но в одном учебнике на рисунке подписаны не только астеносфера, но и «слой мантии над астеносферой» (Финаров, с. 16, рис. 4). Не стоит упоминать астеносферу на уроках, строение верхних слоев Земли и без того достаточно сложно.
В учебниках объяснено, что вдоль осей срединно-океанических хребтов площади литосферных плит постепенно увеличиваются. Этот процесс получил название спрединг (английское spreading — расширение, распространение). Но поверхность земного шара не может увеличиваться. Возникновение новых участков земной коры по сторонам от срединно-океанических хребтов должно где-то компенсироваться ее исчезновением. Если мы считаем, что литосферные плиты достаточно устойчивы, естественно предположить, что исчезновение коры, как и образование новой, должно происходить на границах сближающихся плит. При этом могут быть три различных случая:
— сближаются два участка океанической коры;
— участок континентальной коры сближается с участком океанической;
— сближаются два участка континентальной коры.
Процесс, происходящий при сближении участков океанической коры, может быть схематически описан так: край одной плиты несколько поднимается, образуя островную дугу; другой уходит под него, здесь уровень верхней поверхности литосферы понижается, формируется глубоководный океанический желоб. Таковы Алеутские острова и обрамляющий их Алеутский желоб, Курильские острова и Курило-Камчатский желоб, Японские острова и Японский желоб, Марианские острова и Марианский желоб и т. д.; все это в Тихом океане. В Атлантическом — Антильские острова и желоб Пуэрто-Рико, Южные Сандвичевы острова и Южно-Сандвичев желоб. Движение плит относительно друг друга сопровождается значительными механическими напряжениями, поэтому во всех этих местах наблюдаются высокая сейсмичность, интенсивная вулканическая деятельность. Очаги землетрясений располагаются в основном на поверхности соприкосновения двух плит и могут быть на большой глубине. Край плиты, ушедший вглубь, погружается в мантию, где постепенно превращается в мантийное вещество. Погружающаяся плита подвергается разогреву, из нее выплавляется магма, которая изливается в вулканах островных дуг (рис. 5).

Рис. 5. Схождение двух литосферных плит с океанической корой

Процесс погружения одной плиты под другую носит название субдукция (буквально — поддвигание). Этот латинский термин, как и приведенное выше английское слово «спрединг», широко распространен, оба встречаются в популярной литературе, поэтому учителям знать их нужно, но вводить в школьном курсе едва ли имеет смысл.
Когда движутся друг другу навстречу участки континентальной и океанической коры, процесс идет примерно так же, как в случае встречи двух участков океанической коры, только вместо островной дуги образуется мощная цепь гор вдоль берега материка. Так же погружается океаническая кора под материковый край плиты, образуя глубоководные желоба, так же интенсивны вулканические и сейсмические процессы. Магма, которая не достигает земной поверхности, кристаллизуется, образуя гранитные батолиты (рис. 6). Типичный пример — Кордильеры Центральной и Южной Америки и идущая вдоль берега система желобов — Центральноамериканский, Перуанский и Чилийский.

При сближении двух участков континентальной коры край каждого из них испытывает складкообразование, разломы, формируются горы, интенсивны сейсмические процессы. Наблюдается и вулканизм, но меньше, чем в первых двух случаях, так как земная кора в таких местах очень мощная (рис. 7). Так образовался Альпийско-Гималайский горный пояс, протянувшийся от Северной Африки и западной оконечности Европы через всю Евразию до Индокитая; в его состав входят самые высокие горы на Земле, по всему его протяжению наблюдается высокая сейсмичность, на западе пояса есть действующие вулканы.
В нескольких учебниках помещены схемы положения материков столько-то миллионов лет назад.

Рис. 7. Схождение двух литосферных плит с континентальной корой

В одной книге (Крылова 7, с. 21, рис. 12) приведено расположение материков через 50 млн лет. Если используется этот учебник, стоило бы прокомментировать схему, сказав предварительно, что это только прогноз, очень приблизительный, который оправдается лишь в том случае, если сохранится общее направление движения плит, не произойдет какой-то крупной их перестройки. Согласно прогнозу, значительно расширятся Атлантический океан, Восточно-Африканские рифты (они заполнятся водами Мирового океана) и Красное море, которое напрямую соединит Средиземное море с Индийским океаном.

***

Таким образом, проверяя, хорошо ли школьники помнят тему «Литосфера» по 6-му классу, нужно одновременно рассеять некоторые заблуждения, которые могли возникнуть. Если вы хотите дать ученикам основы знаний на современном уровне, придется, объясняя новый, более сложный материал, отказаться от изложения устаревших сведений, приведенных в учебниках.
Вот основные тезисы, которые нужно изложить и объяснить.
1. Литосфера включает земную кору и верхнюю, сравнительно небольшую часть мантии.
2. Земная кора бывает двух типов — континентальная и океаническая.
3. Континентальная земная кора имеет значительную (десятки километров) толщину, ее плотность увеличивается книзу. Кора состоит из осадочных пород (обычно наверху), ниже идут магматические и метаморфические породы различного состава.
4. Толщина океанической коры 5—10 км, она сложена преимущественно базальтами.
(При объяснении строения континентальной и океанической коры «гранитный» и «базальтовый» слои и тем более границу Конрада не упоминать.)
5. Теория тектоники плит пришла на смену гипотезе Вегенера лишь после того, как гипотеза была полностью отвергнута.
6. Согласно гипотезе Вегенера, материки передвигались по более плотному веществу, слагающему океаническое дно.
7. По теории литосферных плит, в движении участвуют большие участки литосферы с континентальной корой, либо с океанической, либо с той и другой.
Различные типы взаимодействия литосферных плит с разными типами земной коры учитель может рассматривать или не рассматривать в зависимости от степени подготовленности класса. Примеры эти интересны, они могут быть проиллюстрированы на физической карте мира, но в обязательную программу они не входят.

Ссылки на учебники всюду даны сокращенно:

Коринская — В.А. Коринская, И.В. Душина, В.А. Щенев. География материков и океанов: Учеб. для 7 кл. сред. шк. — М.: Просвещение, 1993. — 287 с.
Крылова 6 — О.В. Крылова. Физическая география: Нач. курс: Учеб. для 6 кл. общеобразоват. учреждений. — М.: Просвещение, 1999 (и последующие издания). — 192 с.
Крылова 7 — О.В. Крылова. Материки и океаны: Учеб. для 7 кл. общеобразоват. учреждений. М.: Просвещение, 1999 (и последующие издания). — 304 с.
Крылова, Герасимова — О.В. Крылова, Т.П. Герасимова. География материков и океанов: Проб. учеб. для 7 кл. общеобразоват. учреждений. — М.: Просвещение, 1995. — 318 с.
Петрова — Н.Н. Петрова. География. Начальный курс. 6 кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. — М.: Дрофа; ДиК, 1997. — 256 с.
Финаров — Д.П. Финаров, С.В. Васильев, З.И. Шипунова, Е.Я. Чернихова. География материков и океанов: Учеб. для 7 кл. общеобразоват. учреждений. — М.: Просвещение, 1996. — 302 с.