Внутреннее строение Земли

Русский геофизикВ.А. Магницкий и американский ученый Ф. Берч выдвинули гипотезу о том, что поддействием гигантских давлений и температур сложные силикатные соединения (в томчисле и оливин) распадаются на простые окислы кремния, магния, железа, но вболее плотной упаковке.

В этобыло трудно поверить. Ведь кристаллическая решетка минералов — первоосноваматерии. Неужели простым давлением и повышением температуры можно ееизменить?..

В 1958году австралийский ученый А. Рингвуд вместе со своими коллегами заключилобразцы оливина в могучий пресс и, нагрев их до температуры примерно в тысячуградусов, сдавил до ста тысяч бар. Результат оказался удивительнейшим. Еслирассмотреть кристаллик обычного оливина под электронным микроскопом, а потомпостроить модель упаковки его ионов кислорода, то получится ровная шестиграннаяпризмочка. Примерно такая нарисована на рисунке. Но после опытов Рингвудаматериал полностью перестраивался. Длинная призмочка с ионами кислорода в узлахпревращалась в плотный приземистый кубик, соответствовавший кристаллическойструктуре твердой шпинели. Значит, прав был Берналл, говоря о возможности такихпревращений, правы были Лодочников, Магницкий и Берч.

На одномиз международных симпозиумов по геофизике, состоявшемся в 1963 году, советскиеспециалисты показали зарубежным коллегам небольшие темные кристалликинепонятного вещества. Никто из геологов не мог определить, что это такое. Вродебы кварц, а вместе с тем и не кварц. Очень уж плотен и тяжел. Оказалось,все-таки кварц, только побывавший в условиях сильного сжатия и высокойтемпературы. Его получили советские ученые С.М. Стишов и С.В. Попова влаборатории Института физики высоких давлений. По имени одного из своих творцовновый минерал получил и название — стишовит.

Интереснойоказалась находка стишовита в естественных условиях.

Американцыотыскали его в кратере Аризоны, где он образовался в момент мощного удараприлетевшего метеорита о Землю.

Получалось,что вещества, из которых сложены верхние слои мантии, могут составлять и нижниеее этажи. Но при этом кристаллы под действием высоких давлений и температурпереходят из одного вида в другие.

Такиепревращения, когда вещество из одного состояния переходит в другое, напримервода переходит из пара в жидкость, а из жидкости в лед, называются фазовымипревращениями или фазовыми переходами. Эти переходы, по-видимому, играют оченьбольшую роль и значение в процессах, происходящих в глубоких недрах. Онипомогают сегодня ученым представить себе не только состав нижней мантии, но иядра Земли.

Земля- современная модель

Что жележит в основе современных представлений о внутреннем строении Земли? Как нистранно, но эти основы можно разделить по стародавнему обычаю на три группы — три «кита». Прежде всего представление о составе нашей планеты дает лава,вылившаяся из недр через жерла вулканов и трещины. В большинстве случаев онаимеет базальтовый состав. И геологи так ее и называют — базальтовая лава. Крометого, мы доподлинно знаем о существовании больших гранитных массивов вдокембрийских толщах коры.

Второй«кит» тоже «вещественный». Это прилетающие к нам из космоса метеориты. Ведь поидее они должны быть из того же первичного вещества, из которого слепился ивесь земной шар. Подавляющее большинство космических гостей состоит из плотнойгорной породы — темно-зеленого перидотита и из железа.

Наконец,третий «кит» — скачкообразное изменение скоростей распространения сейсмическихволн внутри Земли. Оно позволяет предположить, что так же скачкообразноменяется и плотность вещества внутри нашей планеты, нарастая с глубиной.

Все этозаставляет нас предположить, что внутреннее строение Земли очень сложно. Ачтобы изучать сложные объекты, в науке уже давно пользуются приближеннымимоделями. То есть более или менее простыми и наглядными картинами, которыепримерно соответствуют имеющимся знаниям.

Вгеофизике под моделью Земли понимают как бы разрез нашей планеты. На нем должнобыть ясно видно, как меняются такие важные свойства земных недр, как плотность,давление, скорость распространения сейсмических волн, температура, ускорениесилы тяжести, электропроводность и так далее.

Считается,что первые шаги в построении реальной модели внутреннего строения нашейпланеты, с учетом всей имеющейся геофизической информации, накопленной за многолет, сделали американские геофизики Адамс и Вильямсон в 1923 году. Однакосейсмологи в те годы еще не могли дать достаточно точных значений для скоростейупругих колебаний. И потому работа американцев страдала многими неточностями.

Исправитьнедостатки и уточнить скорости взялись два крупнейших геофизика тридцатых годов.С одним из них мы уже встречались, когда разговор шел о гипотезах происхожденияЗемли. Это Гарольд Джефрис, профессор Кембриджского университета в Англии.Другой — Бено Гутенберг, немецкий ученый, эмигрировавший из фашистской Германииза океан.

Целыхдесять лет продолжалась их работа. Результаты, достигнутые Джефрисом иГутенбергом, позволили австралийскому геофизику Буллену, стажировавшемуся уДжефриса, построить новую модель Земли, в которой он ввел удобное разделение назоны.

Ивсе-таки к началу пятидесятых годов классический период в геофизике,опиравшийся в основном на методы механики, закончился. В Советском Союзе и вСША появились работы В.А. Магницкого и Ф. Берча, применивших для геофизическихцелей современные методы физики твердого тела и физики высоких давлений. Я ужерассказывал немного об их опытах и выводах. В результате была построенасовременная модель оболочки Земли, которая включает в себя литосферу и верхниеслои мантии.

Выможете ее увидеть на рисунке-графике с пояснительными надписями. Постарайтесьпризвать на помощь свое воображение, чтобы за скромной линией графика увидетьсложность строения и буйство стихий внутри планеты. Конечно, я понимаю, чтографик не столь нагляден и не так красив, как гравюры прошлых веков. Но у негоесть одно неоспоримое преимущество перед последними: он намного правдоподобнее.На приведенном рисунке вы видите сейсмическую модель Земли, то естьотображающую изменения плотности вещества недр. Но такие же модели можнопостроить и для других свойств планеты.

А теперьнесколько слов объяснения. Прежде всего под жесткой корой — литосферой, плитыкоторой мы сравнивали с громадными льдинами-айсбергами, плавающими на «океанеподкорового вещества», примерно с семидесятикилометровой глубины начинаетсяновый, неизвестный слой. В нем скорость распространения сейсмических волн резкопадает. Это — астеносфера. Кое-где местами в ней располагаются первичныемагматические очаги вулканов. Там плавится и кипит базальтовая магма, котораяпотом по трещинам и вулканическим каналам поднимается на поверхность.Температура этих очагов очень близка к температуре плавления глубинноговещества мантии. И потому они увеличивают вязкость всего подкорового вещества.

Конечно,астеносферу можно назвать текучей лишь в сравнении с каменными монолитами.Невероятно медленно движется нечто, что составляет подкоровый слой, перетекая сместа на место.

Вы,наверное, знакомы с варом — черной густой смолой, которая применяется встроительном деле. Вар легко колется на куски. Значит, он твердый. Но оставьтеего на долгое время в покое — и кусок растечется лужей, которая будет так жеколоться. Вещество астеносферы еще более вязкое, чем вар, но и оно способноперетекать из одного места в другое. Только очень медленно.

Примернос двухсотпятидесятого километра глубины скорость распространения сейсмическихволн снова начинает расти. Здесь уже давление в недрах так велико, чтотемпература плавления сдавленного вещества повышается. Вещество мантиипостепенно уплотняется, и скорости упругих колебаний в нем растут. Но растутмедленно, будто накапливают силы. Потом вдруг резкий скачок! Ученые полагают,что здесь начинается зона фазовых переходов, о которых я вам тоже рассказывал.Здесь оливин превращается в более твердую шпинель.

И сновас глубиной идет плавное нарастание скоростей до зоны нового скачка — второйзоны фазовых переходов. Может быть, там происходит распад силикатов на окислы.Мы уже упоминали о стишовите, можно представить себе также уплотненные окислы идругих элементов — железа, алюминия. А может быть, и наоборот, основныепородообразующие минералы оболочки Земли переходят в более сложные структуры.Пока об этом ученые спорят. Но дальше, начиная с глубин в семьсот километров,скорости распространения сейсмических волн снова плавно нарастают под влиянием всеувеличивающегося давления вышележащих слоев. И так происходит до самой границыс ядром Земли.

Ядро — это совсем особый вопрос и совершенно специфическая область земных недр.

О ядре ио наших современных представлениях о нем я хотел бы вам рассказать отдельно.

Изчего состоит ядро Земли

Идей остроении ядра Земли было высказано бесчисленное множество. Дмитрий ИвановичСоколов — русский геолог и академик — говорил, что вещества внутри Землираспределяются, словно шлак и металл в плавильной печи.

Этообразное сравнение не раз получало подтверждение. Ученые внимательно изучалиприлетавшие из космоса железные метеориты, считая их осколками ядра распавшейсяпланеты. Значит, и у Земли ядро должно состоять из тяжелого железа,находящегося в расплавленном состоянии.

В 1922году норвежский геохимик Виктор Мориц Гольдшмидт выдвинул идею общегорасслоения вещества Земли еще в ту пору, когда вся планета находилась в жидкомсостоянии. Он это вывел по аналогии с металлургическим процессом, изученным насталелитейных заводах. «В стадии жидкого расплава, — говорил он, — веществоЗемли разделилось на три несмешивающихся жидкости — силикатную, сульфидную иметаллическую. При дальнейшем остывании эти жидкости образовали главныеоболочки Земли — кору, мантию и железное ядро!»

Однакоближе к нашему времени идея «горячего» происхождения нашей планеты все большеуступала «холодному» творению. И в 1939 году Лодочников предложил другуюкартину формирования недр Земли. К этому времени уже была известна идея фазовыхпереходов вещества. Лодочников предположил, что фазовые изменения вещества сувеличением глубины усиливаются, в результате чего вещество разделяется наоболочки. При этом ядро вовсе не обязательно должно быть железным. Оно можетсостоять из переуплотненных силикатных пород, находящихся в «металлическом»состоянии. Эта идея была подхвачена и развита в 1948 году финским ученым В.Рамзеем. Получалось, что хоть ядро Земли и имеет иное физическое состояние, чеммантия, но причин считать его состоящим именно из железа нет никаких. Ведьпереуплотненный оливин мог быть столь же тяжелым, как и металл...

Такпоявились две исключающие друг друга гипотезы о составе ядра. Одна — развитаяна основе идей Э. Вихерта о железо-никелевом сплаве с небольшими добавкамилегких элементов в качестве материала ядра Земли. И вторая — предложенная В.Н.Лодочниковым и развитая В. Рамзеем, гласящая о том, что состав ядра неотличается от состава мантии, но вещество в нем находится в особо плотномметаллизированном состоянии.

Чтобырешить, в чью сторону должна склониться чаша весов, ученые многих стран ставилив лабораториях опыты и считали, считали, сравнивая результаты своих расчетов стем, что показывали сейсмические исследования и лабораторные эксперименты.

Вшестидесятых годах специалисты окончательно пришли к выводу: гипотезаметаллизации силикатов, при давлениях и температурах, господствующих в ядре, неподтверждается! Более того, проделанные исследования убедительно доказывали,что в центре нашей планеты должно содержаться не меньше восьмидесяти процентоввсего запаса железа… Значит, все-таки ядро Земли — железное? Железное, да несовсем. Чистый металл или чистый металлический сплав, сжатые в центре планеты,были бы слишком тяжелы для Земли. Следовательно, нужно предположить, чтовещество внешнего ядра состоит из соединений железа с более легкими элементами — с кислородом, алюминием, кремнием или серой, которые больше всегораспространены в земной коре. Но с какими из них конкретно? Это неизвестно.

И вотрусский ученый Олег Георгиевич Сорохтин предпринял новое исследование.Попробуем проследить в упрощенном виде ход его рассуждений. Основываясь напоследних достижениях геологической науки, советский ученый делает вывод, что впервый период образования Земля была скорее всего более или менее однородной.Все ее вещество примерно одинаково распределялось по всему объему.

Однакосо временем более тяжелые элементы, например железо, стали опускаться, таксказать, «тонуть» в мантии, уходя все глубже к центру планеты. Если это так,то, сравнивая молодые и старые горные породы, можно в молодых ожидать меньшеесодержание тяжелых элементов, того же железа, широко распространенного ввеществе Земли.

Изучениедревних лав подтвердило высказанное предположение. Однако чисто железным ядроЗемли быть не может. Для этого оно слишком легкое.

Что жеявилось спутником железа на его пути к центру? Ученый перепробовал множествоэлементов. Но одни плохо растворялись в расплаве, другие оказывалисьнесовместимы. И тогда у Сорохтина возникла мысль: не был ли спутником железасамый распространенный элемент — кислород?

Правда,расчеты показывали, что соединение железа с кислородом — окись железа — вродебы легковата для ядра. Но ведь в условиях сжатия и нагрева в недрах окисьжелеза тоже должна претерпеть фазовые изменения. В условиях, существующихвблизи центра Земли, лишь два атома железа способны удержать один атомкислорода. Значит, плотность полученной окиси станет больше...

И сноварасчеты, расчеты. Но зато каково удовлетворение, когда полученный результатпоказал, что плотность и масса земного ядра, построенного из окиси железа,претерпевшей фазовые изменения, дает точно ту величину, которую требуетсовременная модель ядра!

Вот она — современная и, пожалуй, самая правдоподобная за всю историю ее поисков модельнашей планеты. «Внешнее ядро Земли состоит из окиси одновалентной фазы железа Fe2О, а внутреннее ядро — из металлического железа илисплава железа с никелем, — пишет в своей книге Олег Георгиевич Сорохтин. — Переходный слой F между внутренними внешним ядром можно считать состоящим из сернистого железа — троиллита FeS».

Всоздании современной гипотезы о выделении ядра из первичного вещества Землипринимают участие многие выдающиеся геологи и геофизики, океанологи исейсмологи — представители буквально всех отраслей науки, изучающей планету.Процессы тектонического развития Земли, по мнению ученых, будут продолжаться внедрах еще довольно долго, по крайней мере впереди у нашей планеты есть ещепара миллиардов лет. Лишь после этого необозримого срока Земля остынет ипревратится в мертвое космическое тело. Но что к этому времени будет?..