Представления о внутреннем строении Земли в современной науке и в школьных программах 

 

Литосфера и то, что под ней

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

Вспомним общее строение Земли. В центре — ядро, шар радиусом около 3470 км, состоящий из вещества очень высокой плотности. Ядро облекается мантией, объем которой составляет 83% объема Земли и около ²/₃ ее массы. Общая мощность мантии около 2900 км, из них верхние 500 (а по некоторым построениям и до 900 км) составляют верхнюю мантию. Мантию считают состоящей из твердого кристаллического вещества, за одним исключением: ближе к внешней части верхней мантии залегает слой пониженной твердости и прочности —астеносфера (греческое asthenes — слабый). Верхняя граница астеносферы лежит на глубине 50—100 км, то есть глубже нижней границы земной коры, нижняя — на глубине 250—300 км. Обращаем внимание читателей: литосфера включает земную кору и верхнюю часть верхней мантии. Это та часть верхней мантии, которая лежит выше астеносферы (рис. 1 и рис. 2 на с. 3—4).

В тексте учебников астеносфера нигде не упоминается, но в подписях к рисункам она есть.

Рис. 1. Соотношение земной коры, мантии и литосферы. Что такое «Граница М» — на с. 4.

 

Рис. 2. Соотношение земной коры, мантии и литосферы в обобщенном виде

 

Рис. 3. Построение геологического разреза по наземным наблюдениям в простом случае

 

Рис. 4. Построение геологического разреза по наземным наблюдениям в более сложном случае

Рис. 5. Опыт, объясняющий соотношение между верхней и нижней границами земной коры

 

Рис. 6. Строение континентальной и океанической земной коры по традиционным представлениям

 

Рис. 7. Строение континентальной и океанической земной коры по современным представлениям

 

Рис. 8. Чертеж к заданию А4 из книги «ЕГЭ 2009»

 

Рис. 9. Дрейф материков, как его представлял А. Вегенер

 

Рис. 10. Схождение двух литосферных плит с океанической корой

 

Рис. 11. Схождение литосферных плит с океанической и континентальной корой

 

Рис. 12. Схождение двух литосферных плит с континентальной корой

 

Финаров*, с. 16, рис. 4. В литосферу входит «слой мантии над астеносферой». Все верно, только астеносфера в тексте не упоминалась.

Душина, с. 27, рис. 11. Астеносфера изображена и подписана как верхняя часть внешней мантии (кстати, в геологической терминологии нет внутренней и внешней мантии, есть нижняя и верхняя), между ней и «базальтовым» слоем земной коры ничего нет, нижняя же граница литосферы проходит где-то посередине астеносферы.

Даже если не принимать во внимание астеносферу, путаницы все равно много.

Крылова, с.10, рис. 1. На рисунке надпись «Литосфера» охватывает земную кору и верхнюю мантию, а вся мантия, которая не входит в состав литосферы, подписана просто какмантия — не верхняя и не нижняя.

Домогацких 6, с. 81. «Литосфера — это твердая оболочка Земли, состоящая из земной коры и верхней мантии».

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 обойтись без литосферы уже трудно. Возможно, помогут рисунки 1 и 2, их нетрудно начертить в увеличенном виде.

Слои литосферы

Сделать выводы о том, каково строение недр Земли, можно на основании наблюдений на земной поверхности. Например, в обрывах на склонах нескольких соседних долин, прорезающих равнину, обнажаются в одинаковой последовательности слои, одинаковые или близкие по составу, мощность этих слоев меняется мало, наклон слоев нигде не виден. И мы можем на геологическом разрезе соединить соответствующие слои, ошибка будет маловероятна (рис. 3). Правда, на равнине глубина долин редко достигает 200 м, как правило — гораздо меньше.

Если породы лежат не горизонтально (а чаще всего так и бывает), если земная поверх­ность имеет более сложный рельеф, создаются дополнительные сложности, но они же помогают заглянуть глубже в недра Земли (рис. 4).

Данные бурения скважин — это тоже прямые, непосредственные сведения о геологическом строении, мы можем увидеть и потрогать горные породы, лежащие на глубине, сейчас научились определять, в какую сторону и как круто наклонены слои. Земная кора достаточно часто разбурена до глубин 3—5 км. Самая глубокая скважина в мире — Кольская сверхглубокая — прошла 12 262 м. За 25 лет, прошедших с тех пор, как этот результат был достигнут, ни одна скважина даже не приблизилась к такой глубине. Но ведь это всего ¹/₅₀₀ земного радиуса.

Большая 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 масса пород, менее плотных, значит, плотные породы создают увеличенное поле тяготения. В плотных породах ударные волны проходят быстрее (вспомните, что скорость звука в воде заметно больше, чем в воздухе). Проходя через породы с разными физическими свойствами, волны отражаются, преломляются, поглощаются. Волны бывают продольные и поперечные, скорости их распространения различны. Исследуют прохождение природных ударных волн при землетрясениях, создают эти волны и искусственно, производя взрывы.

По геофизическим данным складывается картина распределения пород с разными физическими свойствами, и можно предполагать, какие породы залегают на глубине и какая форма их залегания.

На основе сведений о физических свойствах пород создают модель строения недр Земли: подбирают 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. Но бывает, что и совсем не подтверждается. На глубине могут залегать породы, которых мы на поверхности не встречаем, или при высоких температуре и давлении изменились свойства хорошо известных нам пород. Приходится строить новую модель.

В 1909 г. хорватский геофизик Андрей Мохоровичич заметил, что на глубине 54 км резко, скачкообразно, возрастают скорости сейсмических волн. Этот скачок был прослежен по всему земному шару на глубинах от 5 до 90 км и известен как граница (или поверхность) Мохоровичича, короче — граница Мохо, еще короче — граница М. Поверхность М считают нижней границей земной коры. Есть места, где граница М не очень четко выражена, но специалисты относятся к ней уважительно. 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 нетрудно объяснить школьникам, пустив плавать в прозрачном сосуде 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. 5).

В 1925 г. австрийский геофизик Конрад обнаружил в земной коре еще одну поверхность раздела, где происходит скачкообразное увеличение скоростей сейсмических волн. Такого увеличения скоростей можно ожидать при переходе волн из пород с плотностью 2,7 г/см³ в породы с плотностью 3 г/см³, что примерно соответствует плотностям гранита и базальта. Поэтому вышележащий слой назвали «гранитным», а нижележащий — «базальтовым». Отсюда и сложилось традиционное представление о строении земной коры, о котором можно прочитать в любом учебнике. В составе коры принято выделять три основных слоя. Верхний 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. 6). Между «гранитным» и «базальтовым» слоями лежит граница Конрада; в школьных учебниках ее не упоминают (и не надо).

В 1962 г. Международный союз геодезии и геофизики рекомендовал не называть слои «гранитным» и «базальтовым», а указывать только скорости прохождения в них ударных волн. Но это недостаточно наглядно, а магия названий очень сильна: многие геологи считают, что «гранитный» слой — дейст­вительно из гранита, а «базальтовый» — из базальта. Что уж говорить об авторах школьных учебников географии.

Коринская, с 22—23, рис. 8.Подписи к условным знакам: «Слой осадочных пород», «"Гранитный"» слой. «"Базальтовый" слой».

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, с. 10, рис. 1, — гранитный и базальтовый слои написаны без кавычек, и ученик считает, что они состоят из этих горных пород.

Домогацких 7, с. 26, надписи на рис. 16: «Осадочные слои», «Граниты», «Базальты».

Необходимая оговорка была сделана лишь в одном учебнике, но достаточна ли она для того, чтобы на нее обратили внимание? (Тем более что сейчас этот учебник не переиздается.) «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 называемый базальтовым; он… состоит из пород, плотность которых близка к базальтам» (Крылова, Герасимова, с. 10).

Кольская сверхглубокая скважина должна была достичь 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: горные породы выше и ниже воображаемой границы Конрада оказались одинаковыми.

Да и геофизическая судьба у границы Конрада не такая славная, как у границы Мохоровичича. Кое-где ее выделяли более уверенно, в других местах — менее, где-то вообще не нашли. И появилась необходимость отказаться от терминов «гранитный» слой и «базальтовый» слой, хотя бы и в кавычках, и признать, что границы Конрада в природе нет.

Современная модель строения земной коры (рис. 7) выглядит сложнее, чем классическая трехслойная. В ней по-прежнему выделяются континентальная кора и океаническая. Характерными признаками континентальной коры можно считать значительную (десятки километров) толщину, увеличение плотности к центру Земли — постепенное или скачкообразное, осадочный слой в пределах континентальной коры обычно более мощен, чем в пределах океанической. Океаническая кора гораздо тоньше, более однородна по составу; океаническое дно сложено преимущественно базальтами. Но употреблять по отношению к нему термин «базальтовый слой» было бы неверно, он вольно или невольно вернет нас к трехслойной модели земной коры, от которой сейчас пришлось отказаться. Это совсем не тот «базальтовый слой», который раньше выделяли по геофизическим данным в противовес «гранитному».

Кроме научных сложностей, преподавателя географии подстерегают еще сложности организационные. Не будут ли все изложенные сведения лишними? Ведь трехслойная модель строения земной коры есть во всех программах, о ней говорится во всех учебниках, по ней есть вопросы в ЕГЭ.

ЕГЭ-2009, с. 28, задание А4 (рис. 8). На каком рисунке правильно показано строение земной коры океанического типа?

Правильным считается, конечно, ответ D. Меня уверяли, что в вопросах ЕГЭ этого не будет, но «Федеральный банк экзаменационных материалов» должен быть достаточно авторитетной организацией, а он рекомендует при подготовке к экзамену иметь в виду возможность появления такого вопроса.

Не являются ли все приведенные здесь сведения избыточными? Не перенести ли всё, о чем здесь рассказано, в факультативы, в программы профильного обучения? А в обязательном школьном курсе пусть останутся гранитный и базальтовый слои.

Нет, с такой постановкой вопроса категорически нельзя согласиться. Об избыточности сведений можно говорить тогда, когда к уже изучаемым правильным сведениям предлагается добавить новые, тоже правильные. Математики то включают бином Ньютона в школьные программы, то исключают. Но от того он не перестает быть правильным, и никто в этом не сомневается. Здесь же речь идет о том, что сведения, подвергавшиеся сомнению уже в 60-х годах и безнадежно устаревшие больше двадцати лет назад, нужно заменить теми, которые соответствуют действительности. Учить школьников тому, что неверно, мы не имеем права. И никакие ЕГЭ не должны быть препятствием к тому, чтобы заменять в учебниках устаревшие сведения новыми.

Теория литосферных плит

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.

Согласно Вегенеру, в глубоких недрах планеты залегает плотное вещество, которое он считал состоящим из никеля и железа и назвал нифе (никель-феррум); это можно считать аналогом ядра Земли в современном понимании. Железо-никелевое ядро облекается кремниево-магниевым слоем сима (силициум-магний). А на поверхности слоя сима — несплошной слой материков, сложенных сравнительно легким веществом сиаль (силициум-алюминий), который как бы плавает по поверхности более тяжелого слоя сима. Материки на своем переднем по ходу движения крае испытывают большое сопротивление подстилающих слоев, там породы сминаются в складки, образуются горы (рис. 9 на с. 8). Хороший пример: Америка движется от Европы и Африки на запад, и на ее переднем (западном) краю образовался Кордильерский горный пояс. Теория покорила чуть не всех, ее приняли с восторгом. Но через 2—3 десятилетия, когда выяснилось, что физические свойства пород не допускают такого плавания, 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 50 лет назад, когда была уже открыта общемировая система срединно-океанических хребтов, построили новую теорию, в которой от гипотезы Вегенера осталось 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 как суши, так и дна океана; а границы между плитами могут проходить и по дну океана, и по суше, и по границам материков и океанов.

Движение литосферных плит происходит по астеносфере, которую, пожалуй, не стоит упоминать на уроках, строение верхних слоев Земли и без того достаточно сложное.

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 земной 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 двух участков океанической коры, может быть схематически описан так: край одной плиты несколько поднимается, образуя островную дугу, край другой уходит под него; здесь уровень верхней поверхности литосферы понижается, формируется глубоководный океанический желоб. Таковы Алеутские острова и окаймляющий их с юга Алеутский желоб, Курильские острова и Курило-Камчатский желоб, Японские острова и Японский желоб, Марианские острова и Марианский желоб и т.д.; всё 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, ушедшей 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. 10 на с. 8).

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 школьный курс 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, так же интенсивны вулканические и сейсмические процессы. Магма, которая не достигает земной поверхности, кристаллизуется, образуя гранитные батолиты (рис. 11). 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. 12). 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 и на его юго-восточном продолжении в Зондском архипелаге есть действующие вулканы.

В некоторых учебниках помещены схемы положения материков в разное время. В других (Крылова, с. 21, рис. 12, Коринская, с. 26, рис. 11) приведено расположение материков через 50 млн лет. 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.

***

Если мы хотим дать ученикам основы знаний на современном уровне, придется 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 упоминать не следует.)

5. Теория тектоники плит пришла на смену гипотезе Вегенера лишь после того, как гипотеза была полностью отвергнута.

6. Согласно гипотезе Вегенера, материки передвигаются по более плотному веществу, слагающему океаническое дно.

7. По теории литосферных плит, относительно друг друга движутся большие участки литосферы с континентальной корой, либо с океанической, либо включающие оба типа коры.

Различные типы взаимодействия литосферных плит с разными типами земной коры (рис. 10—12) 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 не входят.

Учебники и программы, к сожалению, по сути, не меняются, приходится пользоваться тем, что есть. Сумеете объяснить ученикам, что наука на месте не стоит, — честь вам и слава. Даже католическая церковь признала правоту Галилея и Коперника, а у нас в курсе географии Солнце все еще обращается вокруг Земли.

Учебники и методические материалы

Домогацких 6 — Домогацких Е.М., Алексеевский Н.И. География: Физическая география: Учебник для 6 класса общеобразовательных учреждений. — М.: ООО ТИД «Русское слово — РС», 2007. — 232 с.

Домогацких 7 — Домогацких Е.М., Алексеевский Н.И. География: Материки и океаны: В 2 ч. Ч. 1: Учебник для 7 класса общеобразовательных учреждений. — М.: ООО ТИД «Русское слово — РС», 2007. — 280 с.

Душина — Душина И.В. География: Наш дом — Земля. Материки, океаны, народы и страны. 7 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений / И.В. Душина, В.А. Коринская, В.А. Щенев. — 11-е изд. стереотип. — М.: Дрофа, 2007. — 383 с.

ЕГЭ-2009 — ЕГЭ 2009. Сборник экзаменационных заданий / Авт.-сост. В.В. Барабанов, Э.М. Амбарцумова, С.Е. Дюкова. — М.: Эксмо, 2009. — 240 с. — (ЕГЭ. Федеральный банк экзаменационных материалов).

Коринская — Коринская В.А. География материков и океанов. 7 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений / В.А. Коринская, И.В. Душина, В.А. Щенев. — 13-е изд., стереотип. — М.: Дрофа, 2006. — 318 с.

Крылова — Крылова О.В. Материки и океаны: Учебник для 7 класса общеобразовательных учреждений. — М.: Просвещение, 2007. — 303 с.

Крылова, Герасимова — Крылова О.В., Герасимова Т.П. География материков и океанов: Пробный учебник для 7 класса общеобразовательных учреждений. — М.: Просвещение, 1995. — 318 с.

Петрова — Петрова Н.Н. География. Начальный курс. 6 класс. Учебник для общеобразовательных учебных заведений. — М.: Дрофа, ДиК, 1997. — 256 с.

Финаров — Финаров Д.П. География. Материки, океаны и страны. Учебник для 7 класса общеобразовательных учреждений / Д.П. Финаров, С.В. Васильев, Е.Я. Чернихова. — М.: АСТ, Астрель; Спб.: СпецЛит, 2001. — 292 с.

 

* Здесь и далее учебники обозначены сокращенно, список см. в конце статьи.