Внутреннее строение нашей планеты.
Попрошу минуточку внимания...
Тело планеты неоднородно и по физическим свойствам, и по химическому составу: в центре находится ядро, оно окружено мантией, а поверх всего - земная кора в виде очень тонкой пленки. Земная кора наиболее изучена геологами, поэтому ее сторению и составу будет уделено особое внимание.
Из чего "сделаны" внутренние области земного шара, находящиеся ниже земной коры, узнать не так-то просто: самая глубокая в мире скважина, которую пробурили геологи на Кольском полуострове, едва преодолела 12-километровый рубеж. Это всего 0,2% радиуса Земли! Образно говоря, мы прокололи булавкой на глобусе лишь верхний слой краски...
К счастью, недра планеты можно изучать не только при помощи бурения скважин, но и по красноречивым "рассказам" сейсмических волн - упругих колебаний, распространяющихся в Земле от очагов землетрясений или взрывов.
Итак, исследователи научились заглядывать глубоко внутрь Земли и по косвенным признакам судят о том, что видеть воочию им пока не дано.
Сегодня мой рассказ будет содержать следующие разделы:
В 1909 году на Балканском полуострове, около города Загреб, произошло сильное землетрясение. Хорватский геофизик Андрия Мохоро'вичич, изучая сейсмограмму, записанную в момент этого события, заметил, что на глубине примерно 30 километров скорость волн существенно увеличивается.
Может быть, это явление сугубо местное? Но нет, другие сейсмологи подтвердили: подобное происходит на глубинах, близких к 30 километрам, повсюду. Значит, существует некий раздел, ограничивающий снизу земную кору. Для его обозначения ввели особый термин - поверхность Мохоровичича (иногда ее также называют границей или разделом). А поскольку многим эта славянская фамилия показалась слишком труднопроизносимой, то часто говорят просто поверхность Мохо или даже поверхность М. Эта поверхность отделяет кору от того, что под ней.
Под корой на глубинах от 30-50 до 2900 километров расположена мантия Земли. Из чего же она состоит? Главным образом, из ПЕРИДОТИТА. Такая порода содержит в себе 80% оливина и 20% пироксена. Это зеленоватые минералы, силикаты магния и железа (об этом я расскажу подробнее немного позже).
Мантия занимает до 82% объема планеты и подразделяется на верхнюю и нижнюю. Первая залегает ниже поверхности Мохо до глубины 670 километров. Быстрое падение давления в верхней части мантии и высокая температура приводят к плавлению ее вещества. Образуются очаги магмы, которая прорывается на поверхность и изливается в виде лавы.
На глубине от 400 километров под материками и 10-150 километров под океанами, т.е. в верхней мантии, был обнаружен слой, где продольные и поперечные сейсмические волны распространяются сравнительно медленно. (Волны называются продольными, если деформация пород, например, сжатие или растяжение происходит вдоль направления движения волны, и поперечными - если частицы породы колеблются перпендикулярно направлению движения волны. Скорость первых всегда выше.) Этот слой назвали астеносферой (от греческого "астенес" - "слабый"). Здесь породы частично расплавлены (1-3%). Более пластичная, чем остальная мантия, астеносфера служит "смазкой", по которой перемещаются жесткие литосферные плиты (от греческого "литос" - "камень"). Литосфера включает в себя всю земную кору и верхние слои мантии (до астеносферы).
По сравнению с породами, слагающими земную кору, породы мантии отличаются большей плотностью, и скорость распространения сейсмических волн в них заметно выше. Одним только простым сжатием вещества под давлением столь резкие перемены не объяснить. Тут, видимо, "виноваты" и химические превращения одних минералов в другие. Что это такое, лучше всего показать на примере.
Возьмем углерод. До тех пор, пока его плотность составляет 2,2 г/куб.см, он представляет собой простой графит, вроде того, из которого делают карандаши. Если же повысить его плотность до 3,5 г/куб.см, он претерпевает изменение кристаллической решетки и становится алмазом.
Аналогичные преобразования происходят, очевидно, на глубинах около 400 километров с оливином: структура его изменяется, и он превращается в некое подобие шпинели. Это бесцветный, иногда пурпурный, зеленоватый, желтый или даже черный минерал, очень твердый, отличающийся высокой плотностью. Здесь уже скорость сейсмических волн быстро возрастает.
На глубине 650 километров этот минерал не выдерживает могучего давления и высокой температуры. Он приобретает более плотную внутреннюю структуру, сходную со структурой ильменита и перовскита. А, когда мы опускаемся на глубину 1000 километров, на смену ильмениту придут еще более плотные вещества - оксиды (соединения металлов с кислородом).
На самой нижней границе мантии плотность постепенно, без скачков, увеличивается, достигая на границе с ядром 5,5 г/куб.см. Из чего состоит нижняя мантия, пока остается загадкой.
Замечательный французский ученый Рене Декарт, живший в XVII веке, полагал, что Земля образовалась из комка остывшей массы, который сперва был подобен яркому Солнцу. Поэтому в недрах нашей планеты и поныне спрятано горячее ядро. Однако проверить это тогда не было возможности.
Исаак Ньютон установил, а экспедиции французских ученых подтвердили, что Земля у полюсов сплюснута и, следовательно, правильным шаром она не является. Французский естествоиспытатель XVIII века Жорж Луи Леклерк Бюффон, подхватив эту мысль, пришел к выводу: такое возможно только в том случае, если земные недра находятся в расплавленном состоянии.
Измерения показывают: при погружении в недра на каждый километр температура вещества возрастает в среднем на 30 градусов Цельсия (это называется геотермическим градиентом). Но тогда, действительно, в сердцевине нашей планеты все должно быть расплавлено. Так и считали специалисты еще совсем недавно.
В середине XIX столетия французский ученый Габриель Огюст Добре первым "пригласил" геологию в лабораторию и поставил множество экспериментов над различными минералами. Он сделал эту науку экспериментальной, и геология "побраталась" с физикой, с самого начала опиравшейся на опыт. Еще Леонардо да Винчи: "Науки, которые не родились из эксперимента, этой основы всех познаний, бесполезны и полны заблуждений...". Опыты позволили Добре предположить: Земля по составу отнюдь не однородна, в ее глубинах залегают более тяжелые и твердые массы, которые по-разному реагируют на повышение температуры и давления.
Ученый отметил следующее: Ньютон астрономическими методами вычислил плотность нашей планеты, и она значительно выше, чем у горных пород, слагающих верхнюю часть земной коры. Возьмем, например, гранит, который нередко нередко встречается в горах: 1 куб. см этой породы весит 2,8 грамма. Если бы вся Земля состояла из такого материала, ее тяготение было бы значительно меньшим, чем определил Ньютон. Следовательно, на глубине скрыты гораздо более плотные породы. Вспомним, что средняя плотность земного вещества - 5,5 г/куб. см - больше, чем у стали.
Сравним это с веществом, из которого состоят метеориты. Ведь скитальцы космоса могут быть обломками когда-то разрушившихся планет, вероятно, сходных с Землей. Метеориты бывают разные: есть железные (так они называются, хотя состоят из железоникелевых сплавов), железокаменные, но больше всего среди них просто каменных.
По мнению Добре, так же разнородно и тело нашей планеты. Только вот железо и никель, как самые тяжелые, "утонули" в недрах, сконцентрировавшись в земном ядре, а оболочку образовали силикаты железа и магния (из этих веществ в основном состоят и каменные метеориты). Этой концепции формирования оболочек Земли (геосфер) в наши дни противопоставляется идея об изначально неоднородной Земле, при самом формировании которой в первую очередь слипались более тяжелые железомагниевые частицы и лишь потом более легкие - силикатные.
Известно, что продольные волны сжатия-растяжение проходят через твердые и жидкие тела, а поперечные волны - только через твердые. Незадолго до Первой Мировой Войны немецкий сейсмолог Бено Гутенберг выяснил, что продольные волны, порожденные землетрясением, во внешней части земного ядра резко замедляют скорость, а поперечные через него совсем не проходят. Поэтому предполагают, что внешняя часть земного ядра состоит из вещества, обладающего свойствами жидкости. Точную границу внешнего ядра установил в 1946 году шотландский ученый Артур Холмс. Она располагается на глубине 2900 километров.
А вот внутренняя область ядра, начинающаяся с глубины 5100 километров, по свидетельству сейсмических волн, ведет себя уже как твердое тело. Это обусловлено очень высоким давлением - ведь на внутреннюю часть ядра "давит" вес основной части планеты. Даже на верхней границе ядра теоретически рассчитанное давление составляет около 1,3 миллионов атмосфер, а в его центре достигает 3 миллионов. Температура здесь может превышать 10000 градусов Цельсия. Каждый кубический сантиметр вещества земного ядра весит примерно 12-14 граммов.
Соотношение между разными частями ядра таково: на внутреннюю приходится 1,7% всей массы планеты, а на внешнюю - около 30%. Очевидно, вещество внешнего ядра включает относительно легкий элемент, скорее всего, серу. Некоторые специалисты полагают, что такого элемента там содержится до 14%.
Таким образом, Земля состоит из твердых коры, мантии и внутреннего ядра, и только вещество внешнего ядра находится в жидком состоянии. Ученые пришли к выводу, что распределение вещества и строение планеты не всегда были такими, как теперь, а изменялись со временем.
До недавнего прошлого само собой разумеющимся считалось, что ядро Земли - совершенно гладкий правильный шар, наподобие пушечного ядра. Но вот в 80-х годах XX века американцы Дон Андерсон и Адам Дзевонский изобрели так называемую сейсмическую томографию. Раньше сеть сейсмических станций регистрировала волны, поступающие из недр при землетрясениях или после взрыва большого заряда, и ученые, рассматривая полученную "кардиограмму" Земли, судили о составе пород, сквозь которые пробежала волна, и о физических условиях на разных глубинах. Этот метод неплох, но у него есть недостаток: получаемое изображение как бы плоское, лишенное объема, и очень приблизительное, без подробностей. А томография - все равно, что стереозвук по сравнению с обычной музыкальной записью, которая воспроизводит мелодию, но не позволяет услышать все богатство звуков.
Чтобы достичь объемного и подробного изображения недр, ученые и прибегли к сейсмической томографии - стали обрабатывать при помощи компьютеров не десяток-другой сейсмограмм, а тысячи и даже миллионы. Вот тут-то и потребовались огромные массивы сейсмической информации о всевозможных сотрясениях, которые испытала планета за многие годы. Они "заговорили", и оказалось, что граница между ядром и нижней мантией не геометрически правильная поверхность, а целый слой. В одних местах его толщина составляет 150 километров, в других достигает 350. Если бы кто-нибудь сумел путешествовать в этой зоне, ему пришлось бы то подниматься высоко в гору, то спускаться в долину. В среднем же она имеет мощность 260 километров. Как предполагают ученые, именно здесь происходит перемешивание глубинных веществ, обладающих различным химическим составом, тем самым и объясняется неровная поверхность "подземного
рельефа".
Вот и все на сегодня! Надеюсь, что еще встретимся! А в следующем впуске рассылки - строение океанической и континентальной земной коры. Поки!
