Земная кора
Для изучения более глубоких слоев коры применяют косвенные методы. Одним из них служит измерение ускорения свободного падения. Ускорение свободного падения составляет около 980 см-с-2. Единица ускорения, 1 см-с-2, называется галом, в честь Галилея. Ускорение свободного падения есть следствие гравитационного притяжения между Землей и исследуемой массой. В районах с меньшей плотностью коры наблюдается некоторое уменьшение ускорения свободного падения. Синхронизируя маятник с очень точными часами, можно добиться высокой точности измерения, до нескольких миллигалов (1 мгал=10-3 гала, или около Ю-6 ускорения свободного падения). Для этих измерений можно использовать также гравиметр. Гравиметр состоит из кварцевой нити с подвешенным на ней грузом. Измеряя относительное удлинение нити, можно определить различия в ускорении свободного падения. Вследствие центробежного эффекта вращения Земли ускорение свободного падения изменяется с широтой от 978,04 гала на экваторе до 983,22 гала у полюсов. Гравитационное ускорение изменяется также с высотой, уменьшаясь со скоростью около 300 мгал на 1 км, поскольку расстояние между центром Земли и исследуемой массой увеличивается. Чтобы оценить изменения плотности глубинных слоев земной коры, необходимо учесть поправки, связанные с упомянутыми эффектами. Нужно также знать ускорение при условии выровненной до уровня моря поверхности суши и заполненного породами до этого же уровня океана. Породы, заполняющие океан, должны иметь при этом среднюю плотность верхних слоев суши. Далее, нужно устранить среднее широтное изменение силы тяжести. Введя эти поправки в наблюденное значение ускорения свободного падения, мы получим аномалию Бугера [Пьер Бугер (1698—1758)—французский математик и гидрограф, выполнивший первые измерения вариации силы тяжести]. Они изменяются от —100 мгал на материке до +100 мгал над Тихим океаном с резкими градиентами вдоль побережья. Рисунок подтверждает принцип изостазии, согласно которому материки расположены выше океанического дна, поскольку они плавают на веществе с меньшей плотностью. Хотя гравитационные данные и указывают на дефицит плотности под материками, они не дают детальной картины плотностной структуры. Гравитационная аномалия Бугера означает либо значительную разность плотностей в тонких слоях, либо незначительную разность плотностей в более мощных слоях. Для изучения структуры коры можно использовать звуковые волны. Звуковые волны частично отражаются от границы раздела двух слоев, в которых скорости звука различны. Скорость звука растет с увеличением плотности слоя. Если заменить звуковой импульс эхолота взрывом динамита, то можно получить звуковую волну с большей энергией и, следовательно, прослушать эхо из более глубоких горизонтов, чем от поверхности раздела вода — дно. Для расчета глубины поверхности раздела по времени распространения звука необходимо знать скорость звука в различных слоях. Изучим вначале прохождение преломленных звуковых волн на различные расстояния по горизонтали. Звуковые волны, так же как и световые, пробегают путь от источника до детектора за наименьшее возможное время. Рассмотрим, например, траекторию волны от источника к детектору, проходящую по воздуху и в толстой пластине из стекла .
Наиболее короткое расстояние между источником и детектором есть прямая SD, по которой световой луч проходил бы в однородной среде. Поскольку скорость светового луча в стекле меньше, чем в воздухе, он будет преломлен (отрезок АА'). Поэтому для того чтобы луч, проходя через стекло, попал в детектор, траектория его должна проходить не по прямой SD, а по ломаной линии SAA'D, и, следовательно, уменьшение пути в стекле {АА') должно компенсироваться увеличением пути в воздухе. Звуковые волны распространяются быстрее в стекле. Поэтому путь в стекле (ВВ) будет удлинен, а в воздухе укорочен. В земле скорость звука увеличивается с глубиной от слоя А к слою В. На коротких расстояниях [между источником (Я) и точками / или 2] вся траектория будет расположена в пределах слоя А; на больших расстояниях (Я—3; И—4) путь с наименьшим временем прохождения пересечет слой В. Измеряя различия во времени прохождения звука между траекториями Я—1 и Я—2 и между траекториями И—3 и Я—4, можно вычислить скорости звука в слоях А тл В при условии, что расстояния 1—2 и 3—4 известны. Зная эти скорости и время прохождения звука до поверхностей раздела А—В и В—С, можно вычислить глубину этих границ. На материке (в левой части рисунка) на глубине около 34 км наблюдается перепад скорости звука. Здесь скорость звука увеличивается скачком от 6 до 8 км-с-1. Местоположение этого перепада называется поверхностью Мохоровичича, или просто Мохо (в честь югославского геофизика Мохоровичича, открывшего её). Мохо есть граница между земной корой и более глубинным слоем, называемым мантией. В океане (правая часть рисунка) поверхность Мохо расположена лишь на глубине 10 км. Отметка —10 км типична для океанической части поверхности Мохоровичича. Посмотрим теперь, как осуществляется изостатическое равновесие между океанической и материковой корой. Вертикальный разрез земной коры показывает, что различия в превышениях между сушей и океаническими бассейнами связаны с положением границы Мохо. Под высокими горами граница Мохо имеет наибольшие глубины, образуя своеобразный фундамент, поддерживающий высоко поднятые горные массивы, не позволяя им проседать под собственной тяжестью. Вариации плотности в горизонтальном направлении нарушают равновесие верхних слоев Земли. Так же как в атмосфере и океане, горизонтальные градиенты давления существуют и в твердой оболочке Земли. Хотя материал твердой оболочки Земли и малопрочен, он обладает большей вязкостью по сравнению с водой и воздухом. Погода изменяется за несколько дней, частица воды совершает круговорот за десятки лет; движения твердой оболочки требуют десятков или сотен миллионов лет. Помимо внутреннего, или тектонического, движения твердой оболочки Земли, существует движение твердых материалов на поверхности Земли. Это движение — перемещение материала с материков в океан — вызвано действием ветра и воды. Оно называется денудацией материков.
Денудация материков
Мы уже видели, что материки расположены в среднем на 5 км выше дна океана и поддерживаются на плаву более толстым слоем земной коры. Хотя материки и находятся в изостатическом равновесии, поверхностные слои Земли далеки от равновесия. Для поверхности Земли минимум потенциальной энергии был бы достигнут только в случае полного выравнивания рельефа поверхности Земли, покрытой океаном с постоянной глубиной. Ряд процессов работает в направлении нивелирования рельефа путем эрозии суши и выноса материала в море. Одновременно другие процессы должны восстанавливать топографический рельеф, ибо в противном случае материки давно погрузились бы в океан. Рассмотрим вначале механизмы, стремящиеся нивелировать рельеф поверхности Земли. Главный перенос материкового материала в океан осуществляется потоками воды.
Водный баланс материков
Если климат становится влажнее, то увеличивается площадь озер, а следовательно, и испарение. Растительность и почва также испаряют влагу и таким образом принимают участие в формировании водного бюджета. Площадь бессточных районов составляет в целом для суши 33% и изменяется от 10% в Северной Америке до 64% в Австралии. На территорию США выпадает в среднем около 76 см осадков в год. Из них 22 см (29%) возвращается реками в океан, а остаток 54 см (71%) уходит в атмосферу как испарение растительностью, а также из почвы и с поверхности внутренних озер и потоков. Годовой сток США составляет 1,7-1018 г-год-', или 55-109 г-с-1, поскольку общая площадь суши равна 7,8-106 км2. Откуда же поступает избыток влаги? Раомуссен (1967) рассчитал транспорт атмосферной влаги в районе Северной Америки между параллелями 30 и 50° с. Поскольку здесь преобладают западные ветры, влага переносится из Тихого океана в Атлантику. Существует также большой поток влаги из Мексиканского залива на сушу. Для периода с мая 1961 г. по апрель 1963 г.
Скорость денудации
Хотя осадки представляют собой почти чистую воду, речная вода содержит минеральные вещества, которые выносятся в океан. Дождевые и талые воды на поверхности суши и в почве растворяют некоторые породы, а также выносят минеральные частицы в суспензиях. Джадсон и Риттер (1964) вычислили количество растворенного и суспензионного материала, выносимого реками. Река Колорадо, которая собирает воду в засушливой южной и центральной зоне материка, имеет наивысшую концентрацию растворенного и взвешенного материала. Среднее превышение США около 700 м. Это означает, что при средней плотности пород 2,6 г-см-3 общая масса суши, расположенной выше уровня моря, составляет 1,8- 10s г-см-2. В среднем суша теряет здесь 16 г-см-2 за 1000 лет. При сохранении такой скорости денудации в течение одного миллиона лет поверхность суши США опустилась бы до уровня моря. Таким образом, за период от кембрия до наших дней территория США могла бы подвергнуться полной эрозии 60 раз. Необходимо поэтому предположить, что существуют силы, действующие в направлении, обратном эрозии. Эти силы и поддерживают сушу выше уровня моря.
Изостатическое уравновешивание
Возвратимся к нашей упрощенной модели океанической и материковой коры. В этой модели материки занимают 40% площади Земли со средним превышением около 0,40 км выше уровня моря, а океаны — 60% площади Земли со средней глубиной 4,4 км. Под материками граница Мохо расположена на глубине 33,6 км ниже уровня моря, под океанами— на глубине 10 км. Предположим, что в результате эрозии материки потеряли 0,37 км пород и последние равномерно отложились на дне моря. Поскольку отношение площадей океана и суши равно 3/г, на дне океана отложится слой осадков толщиной 0,25 км. В результате перемещения пород с суши в море равновесие нарушится. Материковый блок будет стремиться подняться для восстановления равновесия. Если породы суши имеют плотность 2,6 г-см-3, то материки потеряют 9,6-104 г-см-2, а океан дополнительно приобретет 6,4-104 г-см-2. Общее нарушение баланса составит 1,6-105 г-см-2. Известно , что породы, расположенные глубже границы Мохо, имеют среднюю плотность 3,27 г-см-3. Если мы опустим океанический блок на 1 км относительно материкового, переместив материал мантии от нижней части океанического блока к нижней части материкового, то нагрузка на океанический блок уменьшится на 3,27-105 г-см-2. Однако, поскольку нарушение баланса составляет только 1,6-105 г-см-2, необходимо опустить океанический блок не на 1 км, а на 0,49 км относительно материкового. Поскольку отдельные блоки земной коры испытывают перемещения по вертикали, мы не имеем фиксированного уровня, относительно которого можно измерять амплитуду абсолютных смещений. Наилучшее, что можно сделать, это принять в качестве нулевой точки отсчета уровень моря. Поскольку на дне океана отложилась толща осадков мощностью 0,25 км, граница Мохо под океанами займет отметку 10,25 км ниже уровня моря (рис. 13.2в). Для поддержания изостатического равновесия необходимо понизить раздел Мохо под океанами на 0,49 км относительно раздела Мохо под материками. Поскольку океаническая граница Мохо уже опустилась на 0,25 км, материковая граница Мохо должна подняться на 0,49—0,25 = = 0,24 км, до отметки 33,36 км ниже уровня моря. При этом поверхность материков поднимется на 0,24 км выше уровня моря. Потеряв первоначально 0,37 км своего материала в результате изостатического уравновешивания, материк понизится в конечном итоге только на 0,37—0,24 = 0,13 км. Вследствие изостатического уравновешивания материковый слой толщиной около 3,5 км должен эродировать для понижения поверхности суши относительно уровня моря на 1 км. Для опускания поверхности США до уровня моря должен подвергнуться полной эрозии слой толщиной 2,45 км. На этот процесс необходимо было бы затратить около 40 миллионов лет. Таким образом, хотя изостатическое уравновешивание и уменьшает скорость опускания материков, оно не объясняет их сохранение с докембрия. С того времени в результате эрозии с материков в океан должно было бы переместиться около 30 км материала. Эта величина в 3 раза больше глубины океанической границы Мохо. Следовательно, должен существовать неко. торый механизм, посредством которого материки продолжают подниматься. В главе 17 мы детально исследуем, как это про-исходит. Однако сначала рассмотрим, почему реки имеют возможность выносить минеральные вещества в море.
Относительное движение зерен минералов и воды
Движущаяся вода обладает способностью переносить тонкодисперсные твердые частицы. Песок на пляже перемещается каждой волной вперед и назад, реки выносят частицы минералов в море. Динамика относительного движения твердых частиц и воды фактически одинакова для пресной и соленой воды, поскольку незначительно (2%) различие плотности вод по сравнению с различием плотности пород (2,5—3,5) и воды (1,0). Денудация материков зависит от способности стекающих вод выносить твердый материал и частично растворять минералы. О растворенных минеральных веществах пойдет речь в части IV, а сейчас мы исследуем взаимодействие воды с твердыми частицами. Твердое тело на поверхности Земли находится под действием направленной вниз силы, равной массе предмета, умноженной на ускорение свободного падения. Если тело поместить в воду, эта сила уменьшится, согласно закону Архимеда, на величину, равную массе вытесненной телом воды. Поэтому тело в воде обладает эффективной плотностью, равной do—da (d0 — его плотность, dw — плотность воды). Если частица имеет объем V, то в воде на нее действует направленная вниз сила, равная agV(d0—dw).
Если бросить камень в воду, то он будет падать вниз с возрастающей скоростью. Однако, поскольку камень движется в воде, последняя должна обтекать его и, следовательно, оказывать сопротивление его движению вниз. Эта направленная вверх сила называется трением. Трение задерживает падение камня. Оно возрастает с увеличением скорости предмета относительно воды. До тех пор пока сила трения не уравновесит действующую вниз силу, камень будет падать ускоренно. При некоторой скорости силы уравновесят друг друга, и после этого момента камень будет падать с постоянной скоростью. Период ускоренного движения частицы в воде очень мал почти все время частица опускается с постоянной скоростью. Если частица падает вниз быстро, она не может быть отнесена течением далеко. Если же скорость падения частицы мала, она перемещается на большие расстояния перед осаждением на дно. Для расчета скорости падения v нужно приравнять действующую вниз силу силе трения. Для одинаковых по плотности предметов направленная вниз сила пропорциональна массе и при сохранении подобия формы предметов пропорциональна кубу диаметра D. При одинаковой форме предметов сила трения зависит от их размеров и их скорости v в воде. Для малых, медленно двигающихся частиц обтекающий их поток воды является ламинарным. В этом случае трение пропорционально диаметру зерна, умноженному на скорость. При равномерном движении сила трения равна силе, направленной вниз, поэтому и, значит, в ламинарном потоке скорость v пропорциональна квадрату диаметра. Если предмет имеет большие размеры и движется быстрее, ламинарный поток возмущается и движение становится турбулентным. В этом случае трение значительно возрастает. Оно уже пропорционально квадрату скорости, умноженному на площадь поперечного сечения предмета. Таким образом, если скорость падения у малых зерен пропорциональна квадрату диаметра, то у больших — корню квадратному из диаметра. Существует еще ряд размеров зерен, при которых режим обтекания меняется от ламинарного к турбулентному.
Перенос, отложение и эрозия
При впадении реки в бассейн выпадающие из воды песок и более крупные осадки постепенно заполнят его, и только частицы меньше определенного критического размера продолжат свое путешествие вниз по течению. Фактически движение воды турбулентно. В результате потоки, помимо общего направления, параллельного руслу реки, имеют в беспорядочных вихрях составляющие вверх и вниз. Взбалтывание, вызванное вихрями, мешает осаждению частиц на дно. Скорость взбатшвания зависит от скорости потока, тогда как скорость осаждения определяется размерами зерен. При данной скорости потока частицы, большие определенного размера, будут отлагаться, а меньшие — уноситься течением. Этот размер нельзя установить точно, поскольку он зависит от формы частиц и особенностей турбулентного потока. Однако возможно установить четкую границу между переносом и осаждением как функцию размера зерен и скорости течения. Если частица осаждается со скоростью, превышающей скорость потока, она отлагается на дне, если же частица обладает меньшей скоростью падения, она будет унесена течением. В движущемся потоке частицы переносятся двумя путями. Поток несет взвешенные частицы. От взвешенных частиц ила и глины река часто приобретает коричневую окраску. Во время паводков вода размывает речные отмели и затопляет поля. Когда паводок спадет, глина и ил осядут и останутся на суше. Частицы, которые слишком велики, чтобы оставаться во взвешенном состоянии, могут переноситься по дну реки. Турбулентное движение у ложа передает силу трения частицам, лежащим на дне. Если эта сила станет достаточно большой, частицы придут в движение. Сила, требуемая для подъема частицы, возрастает пропорционально кубу диаметра зерна. Сила трения турбулентного потока, действующая на ту же частицу, пропорциональна D2v2. Таким образом, крупные зерна, которые вызывают турбулентность, увлекаются вдоль дна, и диаметр Увлекаемых частиц пропорционален квадрату скорости потока, а мелкозернистые частицы выносятся потоком в виде взвесей Итак, мы рассмотрели перенос материала в виде взвешенных и влекомых частиц. Вызвать движение частиц труднее, чем поддержать его, поскольку столкновение между движущимися частицами будет помогать общему движению. Поэтому эрозия, в отличие от переноса, требует более высокой скорости потока. Эрозия требует возникновения турбулентного трения. Чем меньше размеры частиц, слагающих дно, тем меньше шероховатость дна, и поток у поверхности раздела дно — жидкость становится ламинарным. Без турбулентности вода не может воздействовать на индивидуальные частицы. Для возникновения эрозии наименьшие по размерам частицы должны обладать способностью вызывать турбулентность. Из рисунка видно, что эрозия возникает легче при тех же размерах частиц (0,1—1 мм), при которых впервые зарождается турбулентность. Для эрозии песка требуется меньшая скорость по сравнению с частицами других размеров. Ил и глина меньше подвержены эрозии вследствие гладкости поверхности. Однако однажды проэродировавший тонкодисперсный материал легче переносится. Материки разрушаются главным образом под действием потоков воды. Воздух также способен вызывать эрозию и переносить мелкозернистые частицы. Поскольку воздух обладает меньшей вязкостью, чем вода, сила трения в нем (при одних и тех же скоростях потока и размерах частиц) намного меньше. Поэтому для переноса в воздухе более мелких частиц пыли необходимы высокие скорости. Способность воздуха поднимать частицы определяется влажностью почвы. Пыльные бури возникают только в засушливых районах пустынь. Взвешенная пыль постепенно падает с уменьшением скорости ветра. Самые маленькие частицы дымки могут быть занесены в верхние слои атмосферы, откуда они постепенно выпадают на Землю. Ветер, таким образом, вносит свой вклад в эрозию материков. Он способен поднимать пыль только в засушливых материковых районах и осаждать частицы как в океаны, так и на сушу. Если тонкодисперсный материал разносится на большие расстояния, то крупные частицы оседают, как только уменьшается скорость ветра. Так, например, часто наблюдается выпадение пыли мористее западного побережья Африки вблизи чрезвычайно мал снос материковых осадков.
Эффект деятельности человека
Под действием воды и в меньшей степени воздуха материки разрушаются и минеральный материал переносится в океан. Материки постепенно теряют свой материал, чтобы наполнить им океаны. В течение последней геологической эпохи человек начал изменять естественные процессы денудации материков. Сельскохозяйственной практикой мы пытаемся уменьшить поверхностную эрозию. Мы перегородили реки плотинами для Уменьшения скорости потока; поэтому из воды за плотинами выпадают осадки, которые постепенно заполняют искусственные водоемы. Иногда этот процесс протекает очень быстро. Например, в южной части Нью-Мексико (штат США) несколько лет тому назад была построена плотина для снабжения водой новой сельскохозяйственной общины Хоуп. Осадки, приносимые рекой, вскоре заполнили водоем. Сейчас Хоуп — покинутый город. Он служит напоминанием о том, что хотя мы и можем временно преградить путь потоку осадков в море, но емкость резервуаров, созданных человеком, ограничена. Измеряя скорость твердого стока, можно установить, как быстро произойдет наполнение, и выяснить, какие экономические преимущества можно ожидать от созданного резервуара. Раньше или позже созданные человеком резервуары будут наполнены осадками в результате денудации суши, расположенной выше плотины. В то же время преграда потоку осадков вызовет определенные изменения на побережье. Чтобы понять эти изменения, нужно выяснить, что произойдет с осадками, когда они будут вынесены к морю. Другой эффект сельскохозяйственной практики человека состоит в изменении водного баланса материка. В результате ирригации полей мы увеличиваем скорость испарения над материками и уменьшаем речной сток. Сможем ли мы использовать весь избыток испарения таким путем до полного отсутствия стока с суши? Если мы попытаемся это сделать, то концентрация растворенного вещества в воде будет увеличиваться до тех пор, пока вода станет солоноватой и непригодной для сельского хозяйства. Низовье Колорадо уже весьма близко к такому пределу. Речной сток Колумбии и Миссисипи еще может быть уменьшен, но это уменьшение не может продолжаться бесконечно долго, поскольку необходимо дать возможность рекам вынести растворенные соли в море, чтобы не превратить все внутриматериковые воды в соленые озера. Джадсон (1968) исследовал влияние деятельности человека на скорость эрозии. Для получения археологических исторических данных он исследовал участки вблизи Рима, определяя Уровень поверхности почвы в период ее образования и сравнивая его с современным уровнем почвы. Скорость эрозии за последние 2000 лет, полученная таким образом, составила 40 см за 1000 лет. Колонки осадков, взятые из озер, расположенных в тех же самых районах, показали увеличение скорости денудации по мере развития сельского хозяйства. Вначале скорость Денудации в бассейне озер составляла 2—3 см за 1000 лет. После 200 г. до н. э., когда этот район начал интенсивно осваиваться, скорость эрозии увеличилась до 20 см за 1000 лет. Таким образом, сельскохозяйственное освоение центральной Италии увеличило скорость эрозии в 10 раз. Увеличение испарения под влиянием ирригации изменит также и тепловой баланс суши. Таким путем сельское хозяйство окажет воздействие и на климат. Однако сделать правдоподобные предсказания на этот счет трудно, поскольку вода играет важную роль в тепловом балансе как в форме водяного пара, так и в виде облачности. Человек вмешивается в естественную денудацию материков различными путями и таким образом изменяет окружающую среду. Он совершает эти изменения за очень непродолжительное время. Уровень наших знаний о тонких взаимодействиях, контролирующих окружающую среду, недостаточен для реального долгосрочного предсказания последствий деятельности человека. Речной сток выносит минеральные вещества материка в океан и таким образом уменьшает превышение поверхности суши. Геологически этот процесс идет очень быстро. Сохранение материков поэтому означает, что осадки океанического дна снова должны возвратиться на материк. Изостатическое уравновешивание как реакция на эрозию не может удовлетворительно объяснить столь длительное существование материков. Способность движущейся воды выносить минеральные частицы зависит от скорости потока, размеров зерен и плотности частиц в воде. Поток воды вокруг зерна изменяет свой режим от ламинарного к турбулентному при увеличении размера зерна от 0,1 до 1 мм; зерна песка этого же размера наиболее легко подвергаются эрозии. В результате хозяйственной деятельности человек изменяет естественные процессы денудации.
Для изучения более глубоких слоев коры применяют косвенные методы. Одним из них служит измерение ускорения свободного падения. Ускорение свободного падения составляет около 980 см-с-2. Единица ускорения, 1 см-с-2, называется галом, в честь Галилея. Ускорение свободного падения есть следствие гравитационного притяжения между Землей и исследуемой массой. В районах с меньшей плотностью коры наблюдается некоторое уменьшение ускорения свободного падения. Синхронизируя маятник с очень точными часами, можно добиться высокой точности измерения, до нескольких миллигалов (1 мгал=10-3 гала, или около Ю-6 ускорения свободного падения). Для этих измерений можно использовать также гравиметр. Гравиметр состоит из кварцевой нити с подвешенным на ней грузом. Измеряя относительное удлинение нити, можно определить различия в ускорении свободного падения. Вследствие центробежного эффекта вращения Земли ускорение свободного падения изменяется с широтой от 978,04 гала на экваторе до 983,22 гала у полюсов. Гравитационное ускорение изменяется также с высотой, уменьшаясь со скоростью около 300 мгал на 1 км, поскольку расстояние между центром Земли и исследуемой массой увеличивается. Чтобы оценить изменения плотности глубинных слоев земной коры, необходимо учесть поправки, связанные с упомянутыми эффектами. Нужно также знать ускорение при условии выровненной до уровня моря поверхности суши и заполненного породами до этого же уровня океана. Породы, заполняющие океан, должны иметь при этом среднюю плотность верхних слоев суши. Далее, нужно устранить среднее широтное изменение силы тяжести. Введя эти поправки в наблюденное значение ускорения свободного падения, мы получим аномалию Бугера [Пьер Бугер (1698—1758)—французский математик и гидрограф, выполнивший первые измерения вариации силы тяжести]. Они изменяются от —100 мгал на материке до +100 мгал над Тихим океаном с резкими градиентами вдоль побережья. Рисунок подтверждает принцип изостазии, согласно которому материки расположены выше океанического дна, поскольку они плавают на веществе с меньшей плотностью. Хотя гравитационные данные и указывают на дефицит плотности под материками, они не дают детальной картины плотностной структуры. Гравитационная аномалия Бугера означает либо значительную разность плотностей в тонких слоях, либо незначительную разность плотностей в более мощных слоях. Для изучения структуры коры можно использовать звуковые волны. Звуковые волны частично отражаются от границы раздела двух слоев, в которых скорости звука различны. Скорость звука растет с увеличением плотности слоя. Если заменить звуковой импульс эхолота взрывом динамита, то можно получить звуковую волну с большей энергией и, следовательно, прослушать эхо из более глубоких горизонтов, чем от поверхности раздела вода — дно. Для расчета глубины поверхности раздела по времени распространения звука необходимо знать скорость звука в различных слоях. Изучим вначале прохождение преломленных звуковых волн на различные расстояния по горизонтали. Звуковые волны, так же как и световые, пробегают путь от источника до детектора за наименьшее возможное время. Рассмотрим, например, траекторию волны от источника к детектору, проходящую по воздуху и в толстой пластине из стекла .
Источники
Наиболее короткое расстояние между источником и детектором есть прямая SD, по которой световой луч проходил бы в однородной среде. Поскольку скорость светового луча в стекле меньше, чем в воздухе, он будет преломлен (отрезок АА'). Поэтому для того чтобы луч, проходя через стекло, попал в детектор, траектория его должна проходить не по прямой SD, а по ломаной линии SAA'D, и, следовательно, уменьшение пути в стекле {АА') должно компенсироваться увеличением пути в воздухе. Звуковые волны распространяются быстрее в стекле. Поэтому путь в стекле (ВВ) будет удлинен, а в воздухе укорочен. В земле скорость звука увеличивается с глубиной от слоя А к слою В. На коротких расстояниях [между источником (Я) и точками / или 2] вся траектория будет расположена в пределах слоя А; на больших расстояниях (Я—3; И—4) путь с наименьшим временем прохождения пересечет слой В. Измеряя различия во времени прохождения звука между траекториями Я—1 и Я—2 и между траекториями И—3 и Я—4, можно вычислить скорости звука в слоях А тл В при условии, что расстояния 1—2 и 3—4 известны. Зная эти скорости и время прохождения звука до поверхностей раздела А—В и В—С, можно вычислить глубину этих границ. На материке (в левой части рисунка) на глубине около 34 км наблюдается перепад скорости звука. Здесь скорость звука увеличивается скачком от 6 до 8 км-с-1. Местоположение этого перепада называется поверхностью Мохоровичича, или просто Мохо (в честь югославского геофизика Мохоровичича, открывшего её). Мохо есть граница между земной корой и более глубинным слоем, называемым мантией. В океане (правая часть рисунка) поверхность Мохо расположена лишь на глубине 10 км. Отметка —10 км типична для океанической части поверхности Мохоровичича. Посмотрим теперь, как осуществляется изостатическое равновесие между океанической и материковой корой. Вертикальный разрез земной коры показывает, что различия в превышениях между сушей и океаническими бассейнами связаны с положением границы Мохо. Под высокими горами граница Мохо имеет наибольшие глубины, образуя своеобразный фундамент, поддерживающий высоко поднятые горные массивы, не позволяя им проседать под собственной тяжестью. Вариации плотности в горизонтальном направлении нарушают равновесие верхних слоев Земли. Так же как в атмосфере и океане, горизонтальные градиенты давления существуют и в твердой оболочке Земли. Хотя материал твердой оболочки Земли и малопрочен, он обладает большей вязкостью по сравнению с водой и воздухом. Погода изменяется за несколько дней, частица воды совершает круговорот за десятки лет; движения твердой оболочки требуют десятков или сотен миллионов лет. Помимо внутреннего, или тектонического, движения твердой оболочки Земли, существует движение твердых материалов на поверхности Земли. Это движение — перемещение материала с материков в океан — вызвано действием ветра и воды. Оно называется денудацией материков.
Денудация материков
Мы уже видели, что материки расположены в среднем на 5 км выше дна океана и поддерживаются на плаву более толстым слоем земной коры. Хотя материки и находятся в изостатическом равновесии, поверхностные слои Земли далеки от равновесия. Для поверхности Земли минимум потенциальной энергии был бы достигнут только в случае полного выравнивания рельефа поверхности Земли, покрытой океаном с постоянной глубиной. Ряд процессов работает в направлении нивелирования рельефа путем эрозии суши и выноса материала в море. Одновременно другие процессы должны восстанавливать топографический рельеф, ибо в противном случае материки давно погрузились бы в океан. Рассмотрим вначале механизмы, стремящиеся нивелировать рельеф поверхности Земли. Главный перенос материкового материала в океан осуществляется потоками воды.
Водный баланс материков
Если климат становится влажнее, то увеличивается площадь озер, а следовательно, и испарение. Растительность и почва также испаряют влагу и таким образом принимают участие в формировании водного бюджета. Площадь бессточных районов составляет в целом для суши 33% и изменяется от 10% в Северной Америке до 64% в Австралии. На территорию США выпадает в среднем около 76 см осадков в год. Из них 22 см (29%) возвращается реками в океан, а остаток 54 см (71%) уходит в атмосферу как испарение растительностью, а также из почвы и с поверхности внутренних озер и потоков. Годовой сток США составляет 1,7-1018 г-год-', или 55-109 г-с-1, поскольку общая площадь суши равна 7,8-106 км2. Откуда же поступает избыток влаги? Раомуссен (1967) рассчитал транспорт атмосферной влаги в районе Северной Америки между параллелями 30 и 50° с. Поскольку здесь преобладают западные ветры, влага переносится из Тихого океана в Атлантику. Существует также большой поток влаги из Мексиканского залива на сушу. Для периода с мая 1961 г. по апрель 1963 г.
Скорость денудации
Хотя осадки представляют собой почти чистую воду, речная вода содержит минеральные вещества, которые выносятся в океан. Дождевые и талые воды на поверхности суши и в почве растворяют некоторые породы, а также выносят минеральные частицы в суспензиях. Джадсон и Риттер (1964) вычислили количество растворенного и суспензионного материала, выносимого реками. Река Колорадо, которая собирает воду в засушливой южной и центральной зоне материка, имеет наивысшую концентрацию растворенного и взвешенного материала. Среднее превышение США около 700 м. Это означает, что при средней плотности пород 2,6 г-см-3 общая масса суши, расположенной выше уровня моря, составляет 1,8- 10s г-см-2. В среднем суша теряет здесь 16 г-см-2 за 1000 лет. При сохранении такой скорости денудации в течение одного миллиона лет поверхность суши США опустилась бы до уровня моря. Таким образом, за период от кембрия до наших дней территория США могла бы подвергнуться полной эрозии 60 раз. Необходимо поэтому предположить, что существуют силы, действующие в направлении, обратном эрозии. Эти силы и поддерживают сушу выше уровня моря.
Изостатическое уравновешивание
Возвратимся к нашей упрощенной модели океанической и материковой коры. В этой модели материки занимают 40% площади Земли со средним превышением около 0,40 км выше уровня моря, а океаны — 60% площади Земли со средней глубиной 4,4 км. Под материками граница Мохо расположена на глубине 33,6 км ниже уровня моря, под океанами— на глубине 10 км. Предположим, что в результате эрозии материки потеряли 0,37 км пород и последние равномерно отложились на дне моря. Поскольку отношение площадей океана и суши равно 3/г, на дне океана отложится слой осадков толщиной 0,25 км. В результате перемещения пород с суши в море равновесие нарушится. Материковый блок будет стремиться подняться для восстановления равновесия. Если породы суши имеют плотность 2,6 г-см-3, то материки потеряют 9,6-104 г-см-2, а океан дополнительно приобретет 6,4-104 г-см-2. Общее нарушение баланса составит 1,6-105 г-см-2. Известно , что породы, расположенные глубже границы Мохо, имеют среднюю плотность 3,27 г-см-3. Если мы опустим океанический блок на 1 км относительно материкового, переместив материал мантии от нижней части океанического блока к нижней части материкового, то нагрузка на океанический блок уменьшится на 3,27-105 г-см-2. Однако, поскольку нарушение баланса составляет только 1,6-105 г-см-2, необходимо опустить океанический блок не на 1 км, а на 0,49 км относительно материкового. Поскольку отдельные блоки земной коры испытывают перемещения по вертикали, мы не имеем фиксированного уровня, относительно которого можно измерять амплитуду абсолютных смещений. Наилучшее, что можно сделать, это принять в качестве нулевой точки отсчета уровень моря. Поскольку на дне океана отложилась толща осадков мощностью 0,25 км, граница Мохо под океанами займет отметку 10,25 км ниже уровня моря (рис. 13.2в). Для поддержания изостатического равновесия необходимо понизить раздел Мохо под океанами на 0,49 км относительно раздела Мохо под материками. Поскольку океаническая граница Мохо уже опустилась на 0,25 км, материковая граница Мохо должна подняться на 0,49—0,25 = = 0,24 км, до отметки 33,36 км ниже уровня моря. При этом поверхность материков поднимется на 0,24 км выше уровня моря. Потеряв первоначально 0,37 км своего материала в результате изостатического уравновешивания, материк понизится в конечном итоге только на 0,37—0,24 = 0,13 км. Вследствие изостатического уравновешивания материковый слой толщиной около 3,5 км должен эродировать для понижения поверхности суши относительно уровня моря на 1 км. Для опускания поверхности США до уровня моря должен подвергнуться полной эрозии слой толщиной 2,45 км. На этот процесс необходимо было бы затратить около 40 миллионов лет. Таким образом, хотя изостатическое уравновешивание и уменьшает скорость опускания материков, оно не объясняет их сохранение с докембрия. С того времени в результате эрозии с материков в океан должно было бы переместиться около 30 км материала. Эта величина в 3 раза больше глубины океанической границы Мохо. Следовательно, должен существовать неко. торый механизм, посредством которого материки продолжают подниматься. В главе 17 мы детально исследуем, как это про-исходит. Однако сначала рассмотрим, почему реки имеют возможность выносить минеральные вещества в море.
Относительное движение зерен минералов и воды
Движущаяся вода обладает способностью переносить тонкодисперсные твердые частицы. Песок на пляже перемещается каждой волной вперед и назад, реки выносят частицы минералов в море. Динамика относительного движения твердых частиц и воды фактически одинакова для пресной и соленой воды, поскольку незначительно (2%) различие плотности вод по сравнению с различием плотности пород (2,5—3,5) и воды (1,0). Денудация материков зависит от способности стекающих вод выносить твердый материал и частично растворять минералы. О растворенных минеральных веществах пойдет речь в части IV, а сейчас мы исследуем взаимодействие воды с твердыми частицами. Твердое тело на поверхности Земли находится под действием направленной вниз силы, равной массе предмета, умноженной на ускорение свободного падения. Если тело поместить в воду, эта сила уменьшится, согласно закону Архимеда, на величину, равную массе вытесненной телом воды. Поэтому тело в воде обладает эффективной плотностью, равной do—da (d0 — его плотность, dw — плотность воды). Если частица имеет объем V, то в воде на нее действует направленная вниз сила, равная agV(d0—dw).
Если бросить камень в воду, то он будет падать вниз с возрастающей скоростью. Однако, поскольку камень движется в воде, последняя должна обтекать его и, следовательно, оказывать сопротивление его движению вниз. Эта направленная вверх сила называется трением. Трение задерживает падение камня. Оно возрастает с увеличением скорости предмета относительно воды. До тех пор пока сила трения не уравновесит действующую вниз силу, камень будет падать ускоренно. При некоторой скорости силы уравновесят друг друга, и после этого момента камень будет падать с постоянной скоростью. Период ускоренного движения частицы в воде очень мал почти все время частица опускается с постоянной скоростью. Если частица падает вниз быстро, она не может быть отнесена течением далеко. Если же скорость падения частицы мала, она перемещается на большие расстояния перед осаждением на дно. Для расчета скорости падения v нужно приравнять действующую вниз силу силе трения. Для одинаковых по плотности предметов направленная вниз сила пропорциональна массе и при сохранении подобия формы предметов пропорциональна кубу диаметра D. При одинаковой форме предметов сила трения зависит от их размеров и их скорости v в воде. Для малых, медленно двигающихся частиц обтекающий их поток воды является ламинарным. В этом случае трение пропорционально диаметру зерна, умноженному на скорость. При равномерном движении сила трения равна силе, направленной вниз, поэтому и, значит, в ламинарном потоке скорость v пропорциональна квадрату диаметра. Если предмет имеет большие размеры и движется быстрее, ламинарный поток возмущается и движение становится турбулентным. В этом случае трение значительно возрастает. Оно уже пропорционально квадрату скорости, умноженному на площадь поперечного сечения предмета. Таким образом, если скорость падения у малых зерен пропорциональна квадрату диаметра, то у больших — корню квадратному из диаметра. Существует еще ряд размеров зерен, при которых режим обтекания меняется от ламинарного к турбулентному.
Перенос, отложение и эрозия
При впадении реки в бассейн выпадающие из воды песок и более крупные осадки постепенно заполнят его, и только частицы меньше определенного критического размера продолжат свое путешествие вниз по течению. Фактически движение воды турбулентно. В результате потоки, помимо общего направления, параллельного руслу реки, имеют в беспорядочных вихрях составляющие вверх и вниз. Взбалтывание, вызванное вихрями, мешает осаждению частиц на дно. Скорость взбатшвания зависит от скорости потока, тогда как скорость осаждения определяется размерами зерен. При данной скорости потока частицы, большие определенного размера, будут отлагаться, а меньшие — уноситься течением. Этот размер нельзя установить точно, поскольку он зависит от формы частиц и особенностей турбулентного потока. Однако возможно установить четкую границу между переносом и осаждением как функцию размера зерен и скорости течения. Если частица осаждается со скоростью, превышающей скорость потока, она отлагается на дне, если же частица обладает меньшей скоростью падения, она будет унесена течением. В движущемся потоке частицы переносятся двумя путями. Поток несет взвешенные частицы. От взвешенных частиц ила и глины река часто приобретает коричневую окраску. Во время паводков вода размывает речные отмели и затопляет поля. Когда паводок спадет, глина и ил осядут и останутся на суше. Частицы, которые слишком велики, чтобы оставаться во взвешенном состоянии, могут переноситься по дну реки. Турбулентное движение у ложа передает силу трения частицам, лежащим на дне. Если эта сила станет достаточно большой, частицы придут в движение. Сила, требуемая для подъема частицы, возрастает пропорционально кубу диаметра зерна. Сила трения турбулентного потока, действующая на ту же частицу, пропорциональна D2v2. Таким образом, крупные зерна, которые вызывают турбулентность, увлекаются вдоль дна, и диаметр Увлекаемых частиц пропорционален квадрату скорости потока, а мелкозернистые частицы выносятся потоком в виде взвесей Итак, мы рассмотрели перенос материала в виде взвешенных и влекомых частиц. Вызвать движение частиц труднее, чем поддержать его, поскольку столкновение между движущимися частицами будет помогать общему движению. Поэтому эрозия, в отличие от переноса, требует более высокой скорости потока. Эрозия требует возникновения турбулентного трения. Чем меньше размеры частиц, слагающих дно, тем меньше шероховатость дна, и поток у поверхности раздела дно — жидкость становится ламинарным. Без турбулентности вода не может воздействовать на индивидуальные частицы. Для возникновения эрозии наименьшие по размерам частицы должны обладать способностью вызывать турбулентность. Из рисунка видно, что эрозия возникает легче при тех же размерах частиц (0,1—1 мм), при которых впервые зарождается турбулентность. Для эрозии песка требуется меньшая скорость по сравнению с частицами других размеров. Ил и глина меньше подвержены эрозии вследствие гладкости поверхности. Однако однажды проэродировавший тонкодисперсный материал легче переносится. Материки разрушаются главным образом под действием потоков воды. Воздух также способен вызывать эрозию и переносить мелкозернистые частицы. Поскольку воздух обладает меньшей вязкостью, чем вода, сила трения в нем (при одних и тех же скоростях потока и размерах частиц) намного меньше. Поэтому для переноса в воздухе более мелких частиц пыли необходимы высокие скорости. Способность воздуха поднимать частицы определяется влажностью почвы. Пыльные бури возникают только в засушливых районах пустынь. Взвешенная пыль постепенно падает с уменьшением скорости ветра. Самые маленькие частицы дымки могут быть занесены в верхние слои атмосферы, откуда они постепенно выпадают на Землю. Ветер, таким образом, вносит свой вклад в эрозию материков. Он способен поднимать пыль только в засушливых материковых районах и осаждать частицы как в океаны, так и на сушу. Если тонкодисперсный материал разносится на большие расстояния, то крупные частицы оседают, как только уменьшается скорость ветра. Так, например, часто наблюдается выпадение пыли мористее западного побережья Африки вблизи чрезвычайно мал снос материковых осадков.
Эффект деятельности человека
Под действием воды и в меньшей степени воздуха материки разрушаются и минеральный материал переносится в океан. Материки постепенно теряют свой материал, чтобы наполнить им океаны. В течение последней геологической эпохи человек начал изменять естественные процессы денудации материков. Сельскохозяйственной практикой мы пытаемся уменьшить поверхностную эрозию. Мы перегородили реки плотинами для Уменьшения скорости потока; поэтому из воды за плотинами выпадают осадки, которые постепенно заполняют искусственные водоемы. Иногда этот процесс протекает очень быстро. Например, в южной части Нью-Мексико (штат США) несколько лет тому назад была построена плотина для снабжения водой новой сельскохозяйственной общины Хоуп. Осадки, приносимые рекой, вскоре заполнили водоем. Сейчас Хоуп — покинутый город. Он служит напоминанием о том, что хотя мы и можем временно преградить путь потоку осадков в море, но емкость резервуаров, созданных человеком, ограничена. Измеряя скорость твердого стока, можно установить, как быстро произойдет наполнение, и выяснить, какие экономические преимущества можно ожидать от созданного резервуара. Раньше или позже созданные человеком резервуары будут наполнены осадками в результате денудации суши, расположенной выше плотины. В то же время преграда потоку осадков вызовет определенные изменения на побережье. Чтобы понять эти изменения, нужно выяснить, что произойдет с осадками, когда они будут вынесены к морю. Другой эффект сельскохозяйственной практики человека состоит в изменении водного баланса материка. В результате ирригации полей мы увеличиваем скорость испарения над материками и уменьшаем речной сток. Сможем ли мы использовать весь избыток испарения таким путем до полного отсутствия стока с суши? Если мы попытаемся это сделать, то концентрация растворенного вещества в воде будет увеличиваться до тех пор, пока вода станет солоноватой и непригодной для сельского хозяйства. Низовье Колорадо уже весьма близко к такому пределу. Речной сток Колумбии и Миссисипи еще может быть уменьшен, но это уменьшение не может продолжаться бесконечно долго, поскольку необходимо дать возможность рекам вынести растворенные соли в море, чтобы не превратить все внутриматериковые воды в соленые озера. Джадсон (1968) исследовал влияние деятельности человека на скорость эрозии. Для получения археологических исторических данных он исследовал участки вблизи Рима, определяя Уровень поверхности почвы в период ее образования и сравнивая его с современным уровнем почвы. Скорость эрозии за последние 2000 лет, полученная таким образом, составила 40 см за 1000 лет. Колонки осадков, взятые из озер, расположенных в тех же самых районах, показали увеличение скорости денудации по мере развития сельского хозяйства. Вначале скорость Денудации в бассейне озер составляла 2—3 см за 1000 лет. После 200 г. до н. э., когда этот район начал интенсивно осваиваться, скорость эрозии увеличилась до 20 см за 1000 лет. Таким образом, сельскохозяйственное освоение центральной Италии увеличило скорость эрозии в 10 раз. Увеличение испарения под влиянием ирригации изменит также и тепловой баланс суши. Таким путем сельское хозяйство окажет воздействие и на климат. Однако сделать правдоподобные предсказания на этот счет трудно, поскольку вода играет важную роль в тепловом балансе как в форме водяного пара, так и в виде облачности. Человек вмешивается в естественную денудацию материков различными путями и таким образом изменяет окружающую среду. Он совершает эти изменения за очень непродолжительное время. Уровень наших знаний о тонких взаимодействиях, контролирующих окружающую среду, недостаточен для реального долгосрочного предсказания последствий деятельности человека. Речной сток выносит минеральные вещества материка в океан и таким образом уменьшает превышение поверхности суши. Геологически этот процесс идет очень быстро. Сохранение материков поэтому означает, что осадки океанического дна снова должны возвратиться на материк. Изостатическое уравновешивание как реакция на эрозию не может удовлетворительно объяснить столь длительное существование материков. Способность движущейся воды выносить минеральные частицы зависит от скорости потока, размеров зерен и плотности частиц в воде. Поток воды вокруг зерна изменяет свой режим от ламинарного к турбулентному при увеличении размера зерна от 0,1 до 1 мм; зерна песка этого же размера наиболее легко подвергаются эрозии. В результате хозяйственной деятельности человек изменяет естественные процессы денудации.
