Земная кора в своих верхних и наружных частях сложена главным образом породами с плотностью 2,7 г/см3, а в нижних частях — с плотностью 2,9 г/см3. Ниже коры, т. е. ниже раздела М, находится до глубин 100–150 км часть литосферы, где плотность пород еще выше — 3,3 г/см3, возможно и более. Получается, что сравнительно легкая земная кора лежит на более тяжелом субстрате, где господствуют очень высокие температуры и давления, где меняется и вязкость вещества. Все это делает субстрат способным к очень медленному течению. Ко всей этой на современном уровне наших знаний достоверной ситуации подходит модель тяжелой жидкости, на которой плавает твердое и более легкое тело. Если оно почему-либо становится легче, то всплывает еще выше, если тяжелеет — погружается в жидкость глубже. Перед нами — действие закона Архимеда. Таким образом, земная кора как бы плавает на своем медленно-текучем тяжелом субстрате и здесь также действуют архимедовы силы. Так как кора тонка под океанами, она погружается в подстилающий субстрат на меньшую величину, толстая кора, материков погружается соответственно глубже. Этим поддерживается равновесие земной коры, называемое изостазией. Нарушение этого равновесия по той или иной причине вызывает стремление к компенсации таких нарушений путем поднятия, выталкивания земной коры вверх, либо к ее погружению. Все сказанное не является простой догадкой, Это важное достояние науки, которое, безусловно, имеет силу и для других планет, обладающих сравнительно легкой корой. Только с помощью изостазии, очевидно, можно объяснить тот факт, что ускорение силы тяжести на земном шаре примерно одинаково и в океанах и на суше. Кстати, общая «зеркальность» рельефа нижней и верхней границ земной коры установлена и другими методами, прежде всего сейсмологическими, позволившими «отбить» границу М по изменению скоростей упругих сейсмических волн. Материки как утолщения земной коры, грубо напоминающие своей формой гигантские двояковыпуклые линзы легкого вещества, и океаны — не менее обширные двояковогнутые линзы более тяжелой земной коры — это, как теперь выяснено, неизбежный результат развития Земли как планеты в течение 4 млрд. лет.
Поскольку мы остановились на рельефе нижней поверхности земной коры и притом были вынуждены коснуться некоторых других вопросов, напомним, каковы же в общих чертах строение и состав нашей планеты, находящие в той или иной степени отражение в чертах ее лица.
Внутреннее строение (оболочки, или геосферы) земного шара
Гипсографическая кривая земной поверхности
Амплитуда высот суши и глубин океана составляет 20 км. В этих пределах в современную эпоху развивается рельеф Земли
Ниже литосферы располагается мощная оболочка или шаровой слой, называемый геологами мантией. Она имеет силикатный состав и по физическим свойствам делится на верхнюю и нижнюю. В верхней мантии находится слой пониженных скоростей сейсмических волн, температура там близка к точке плавления силикатов, вязкость соответственно ниже, давление огромно. Этот слой именуется астеносферой, т. е. ослабленной сферой, вещество которой, хотя и не жидкое, обладает медленной текучестью. Ниже мы увидим, что очень многие ученые считают возможным горизонтальное скольжение по этой астеносфере гигантских литосферных (т. е. захватывающих и кору) плит или геоблоков, видя в таком движении главную причину тектонических движений, включая сюда коренные преобразования самой земной поверхности — ее рельефа.
Нижняя мантия, также силикатного состава, но более богатая железом, сменяется центральной массой — земным ядром. Его плотность очень велика — около 10–12 г/см3, Ядро состоит из двух частей: наружной, где, несмотря на невообразимо большие давления, вещество находится в жидком состоянии, и внутренней — твердой. Добавим здесь, что вопрос о физическом состоянии и химическом составе земного ядра остается до сих пор не решенным окончательно, чему, конечно, нельзя удивляться, поскольку даже при применении косвенных геофизических методов, а также данных о составе метеоритов и изучения других планет сделать это крайне трудно[1]. А теперь вернемся к нашей главной теме.
Формально рельеф есть совокупность выпуклостей и вогнутостей, переходящих друг в друга по художественному плану в искусстве, по жестко детерминированной связи вещей и явлений — в природе. Лад чем же возвышаются выпуклости рельефа Земли и соответственно во что упираются его вогнутости? Когда наука имела дело фактически только с рельефом суши, исходным уровнем, или началом отсчета, был уровень мирового океана. В наши дни, когда рельеф дна морей и океанов изучен гораздо лучше и оказался не менее сложным, с бесчисленными перепадами относительно высот, удобнее было бы отсчитывать все высоты и на суше и в океане от основания гипсографической кривой. Тогда полный размах высот этой кривой, от дна самых больших морских пучин до вершины Эвереста, составил бы наибольшую толщину «морфосферы», т. е. слоя планеты, где идут и где только могут идти геоморфологические процессы.
Мы взяли слово «морфосфера» в кавычки потому, что практически оно почти не употребляется. Почему же? Ведь мы можем считать, что весь глобальный рельеф Земли (на языке скульпторов — «горельеф», т. е. высокий рельеф в отличие от низкого, называемого «барельефом») как бы опирается на поверхность, лежащую ниже уровня океана и, значит, сфероида на 11034 м на отметке глубочайшей в мире Марианской впадины в Тихом океане, но… Но ведь такая условная поверхность «обнажена» только в одном месте — на дне этой впадины, а в остальной части земного шара скрыта в недрах под каменной толщей земной коры и физически ничем не примечательна Поэтому, несмотря на полную мощность воображаемой «морфосферы», равную размаху всей гипсографической кривой, т. е. около 20 км, и соизмеримую с мощностью самой земной коры (в среднем около 30 км), нет, по-видимому, оснований выделять такую сферу на равных правах с другими геосферами Земли.
Поскольку мы коснулись количественных показателей глобального рельефа Земли, скажем о некоторых других его параметрах, хотя они и содержатся в общем виде в самой гипсографической кривой: Мировой океан занимает 361.1 млн. км2, или 70,8 % поверхности Земли, суша — 149.1 млн км2, или соответственно 29,2 %. Собственно ложе Мирового океана занимает сравнительно немного — около 10 % поверхности Земли, подводные окраины материков — около 14 %, а срединно-океанические хребты — около 10 %. Равнинные части суши составляют около 64 % площади материков, а горные — около 36 %. Из всех этих цифр видно, что, по существу, мы не имеем в пределах нашей планеты никакого уровня в качестве «достойного» начала отсчета высот и соответственно глубин. Современный уровень такого отсчета — уровень мирового океана — для скульптурного рельефа твердой земной коры, как показывает та же гипсографическая кривая, условен и искусственен. С этой точки зрения несомненные преимущества имел бы средний уровень абиссальных равнин океана. Однако если вдуматься в нашу задачу: представить себе наружный рельеф твердой земной коры, все еще несравненно лучше изученный на материках, чем в морях и океанах, то понятия о «геоморфологическом слое», «морфосфере» и каком-то неподвижном уровне отсчета для оценки размаха скульптурных деталей поверхности Земли окажутся для нас не столь уж необходимыми.
До сих пор мы говорили о разных частных формах. Земли, но вспомним о том, что все и всяческие формы рельефа как бы наложены, прилеплены к общей форме Земли, так сказать, к ее «небесному» телу. И что же? Оказывается, что и здесь дело далеко не просто. Мы привыкли говорить о земном шаре, но еще великий Ньютон доказал, что из-за вращения вокруг своей оси Земля сплюснута на обоих полюсах и утолщена в экваториальной части. Значит, для Земли более подходящей фигурой является двухосный (поскольку полярный и экваториальный радиусы Земли не равны между собой) эллипсоид вращения, или сфероид. Признавая, что эта форма близка к истинной фигуре Земли, ученые пошли, однако, дальше. Они пришли к выводу, что истинная фигура Земли — это уровенная поверхность, повсюду перпендикулярная направлению отвеса. Ее назвали геоидом («землеподобным»). Поверхность геоида совпадает с невозмущенной ветровыми и иными волнами и приливо-отливными явлениями поверхностью океана; на материках поверхность геоида представили бы прорезающие сушу и идущие от моря каналы. Надо сказать, что все три фигуры, с которыми сравнивалась фигура Земли, довольно мало отличаются друг от друга, но при точных измерениях их различия оказываются существенными. Сравнительно недавно было обнаружено, что на самом деле двухосный эллипсоид вращения, с которым сравнивается Земля, является не двух-, а трехосным, т. е. Земля, кроме полярного, имеет еще небольшое экваториальное сжатие. А наблюдения из космоса позволили сказать еще повое слово: форму нашей планеты можно определить как кардиоид («сердцеподобный»), поскольку она больше сжата на южном и меньше — на северном полюсе.
1
Сейчас соперничают две точки зрения: согласно первой ядро сложено сернистым, согласно второй — окисным железом. Имеются и другие предположение.