Современные представления о строении Земли

Формирование ядра Земли  началось примерно 4,6  10 ⁹ лет назад (отсчет времени ведется по направлению от прошлого к современности). Соответствующие расчеты показывают, что оно особенно интенсивным было в период 3 - 2,6  10 ⁹ лет тому назад. После 2,6 млрд. лет наращивание массы земного ядра начало резко, а потом плавно убывать. В наши дни масса ядра увеличивается, согласно расчетам, на 130 млрд. т в год. «Металлическое железо» покинуло мантию Земли примерно 500 млн. лет тому назад, оставшийся в ней магнетит (Fe _3O4) распадается: 2Fe₃О₄→ 3FeO + 5O, при этом FeO переходит во внешнее ядро Земли. Остывание Земли приведет к частичному или полному затвердеванию, как ее мантии, так и ядра. Дальнейшая судьба нашей планеты будет зависеть в первую очередь от Солнца - перехода его в состояние белого карлика, что будет сопровождаться гигантским выбросом излучения, которое «опалит» Землю.  Из всех геосферных оболочек наибольшие шансы уцелеть в «солнечной парилке» имеет как раз земное ядро. Оно, надо полагать, разогреется, затем вновь остынет и станет космическим путешественником, который либо под действием излучения будет медленно рассеиваться, либо, по случаю, угодит «в топку» неведомой нам звезды.

Внутреннее ядро Земли представляет собой шар диаметром 2500 км и имеет кристаллическую структуру. Сейсмологи заметили, что волны землетрясений, пробегающие планету от края до края, затрачивают на свой путь в зависимости от его направления различные промежутки времени. Это обстоятельство согласуется с расчетами, которые показывают, что внутреннее ядро Земли, являясь кристаллом, обладает анизотропными свойствами, оно пропускает сейсмические волны в одном направлении с большей скоростью, чем в другом. Разумеется, речь идет о весьма специфическом кристалле. Его температура превышает 4000 ˚С, но благодаря гигантскому давлению он сохраняет свою кристаллическую природу. Внутреннее ядро Земли более чем на 90% состоит из железа.

Американские геофизики  Рональд Кохен и Ларс Штихруде опубликовали эту гипотезу в научном журнале «Science» (США). Они пишут, что гипотеза может объяснить многие свойства нашей планеты, кажущиеся пока загадочными. Например, некоторые особенности магнитного поля или поведение во время переполюсовки, т.е. когда Северный магнитный полюс становится Южным и наоборот, что бывало неоднократно.

Гипотезе о сверхкристалле внутри планеты (авторы сравнивают его  с бриллиантом в центре Земли) привлекла внимание сейсмологов, которые  заметили, что волны землетрясений затрачивают на свой путь на 4 секунды больше, нежели сейсмические волны, идущие от полюса до полюса.

Расчеты геофизиков показали, что кристалл, ионы которого расположены  в гексагональной структуре и  плотно прижаты друг к другу, пропускают через себя сейсмические колебания, идущие сверху или снизу, с большей скоростью, нежели волны, проходящие с боковых направлений. Всем кристаллам присуща анизотропия: их физические свойства различны по разным направлениям. Вдоль оси или поперек нее кристалл проводит тепловые и звуковые колебания по-разному. Если бы земное ядро состояло из множества кристаллов, анизотропия была бы погашена разноориентированными кристаллами. Но опыты Р. Кохена и Л. Штихруде отчетливо показали проявление анизотропии. Значит, можно говорить о том, что внутренне ядро Земли - единый, целый кристалл.

Внешнее ядро Земли  находится в жидком состоянии (в нем затухают поперечные волны) и в основном содержит железо, его окислы, а также примеси более легких веществ - кремния, серы.  Железная составляющая ядра Земли ответственна за земной магнетизм. А энергичное конвективное движение внутри внешнего ядра объясняет неоднократные изменения магнитной полярности нашей планеты, о чем свидетельствуют палеомагнитные данные. Древние породы «запоминают», фиксируют направленность магнитного поля Земли. Исследования этих пород показывают, что северный и южный магнитный полюса неоднократно менялись местами.

Асимметричность процессов, протекающих в геосферах Земли

Поверхность Земного  шара и процессы, протекающие в  его оболочках, обладают ярко выраженной асимметричностью, которую удобнее рассмотреть на ряде примеров.

1. Возьмем глобус, сделанный  из мягкого материала (папье-маше, поролона), и будем протыкать его  длинной спицей насквозь так,  чтобы спица проходила через  центр глобуса. Тогда если мы войдем в глобус та, где суша, то обязательно выйдем там, где море. То есть участки суши и участки моря симметричны относительно центра Земного шара. Следует отметить, что мелководные прибрежные зоны морей (шельфы) и глубоководные регионы Мирового океана будут симметричны относительно центра Земного шара. Особенно наглядны в этом смысле Арктика и Антарктика. В центре Арктики находится океан, покрытый в основном плавающим льдом, который к тому же активно перемещается в пределах Северного Ледовитого океана. Так, например, «папанинская четверка», высаженная в июне 1937 г. на Северном полюсе, в феврале 1938 г. оказалась в Гренландском море - этот путь проделала выбранная для дрейфа льдина.

2. Тепловой режим Северного  и Южного полушарий асимметричен. Тепловой экватор, т.е. линия, соединяющая точки на Земном шаре, где наблюдается максимальная среднегодовая температура, смещены от географического экватора к северу в среднем на 10˚. Таким образом, северное полушарие более теплое, чем Южное. Действительно, в Северном полушарии самая низкая температура составляет -70˚С, а в Южном полушарии -90˚С. Кроме того, в Южном полушарии расположен абсолютный полюс ветров (в Антарктиде) и «ревущие сороковые» широты - зона постоянных бурь и ураганов.

Над Арктикой и Антарктикой Земля теряет большую часть своего уходящего в космос тепла. Арктика включает в себя окраины материков Евразии и Северной Америки и почти весь Северный Ледовитый океан со всеми его островами (кроме норвежских), а также прилегающие части Атлантического и Тихого океанов. Среднелетние температуры в Арктике не превышают 10˚С. Антарктида - самый высокий материк. Средняя высота его - 2040 км. Средняя толщина льда - более 1740 км. Только 2% площади материка свободно ото льда.

3. Тепловой режим Восточного и Западного полушарий также асимметричен. В Америке, например, климат гораздо более умеренный, чем в Азии. Это объясняется тем, что основные горные хребты Азии расположены по параллелям (Тянь-Шань, Гималаи), и воздушные массы, поднимающиеся в экваториальной части Азии, не могут продвигаться на Север в полном объеме. Поэтому так резко климаты Индостана, Индокитая отличаются от климата Монголии, Маньчжурии, где значительные части территорий содержат в себе многолетнемерзлые грунты. При дальнейшем продвижении на Север есть и вторая цепь горных хребтов, расположенных по параллелям (Становой и Яблоневый хребты). Вследствие этого в Восточной Сибири зимой имеет место устойчивый антициклон и, как следствие этого, - низкие отрицательные температуры.

В западном полушарии больше воды, чем в Восточном, и это смягчает американский климат. Кроме того, Северная Америка с обеих сторон омывается мощными течениями (Гольфстримом и Северным Тихоокеанским).

Земля – современная  модель

Что же лежит в основе современных представлений о внутреннем строении Земли? Как ни странно, но эти основы можно разделить по стародавнему обычаю на три группы - три «кита». Первое  представление о составе нашей планеты дает лава, вылившаяся из недр через жерла вулканов и трещины. В большинстве случаев она имеет базальтовый состав. И геологи так ее и называют - базальтовая лава. Кроме того, мы доподлинно знаем о существовании больших гранитных массивов в докембрийских толщах коры.

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

Наконец, третий «кит» - скачкообразное изменение скоростей распространения сейсмических волн внутри Земли. Оно позволяет предположить, что так же скачкообразно меняется и плотность вещества внутри нашей планеты, нарастая с глубиной.

Все это заставляет нас  предположить, что внутреннее строение Земли очень сложно. А чтобы изучать сложные объекты, в науке уже давно пользуются приближенными моделями. То есть более или менее простыми и наглядными картинами, которые примерно соответствуют имеющимся знаниям.

В геофизике под моделью Земли понимают как бы разрез нашей планеты. На нем должно быть ясно видно, как меняются такие важные свойства земных недр, как плотность, давление, скорость распространения сейсмических волн, температура, ускорение силы тяжести, электропроводность и так далее.

Считается, что первые шаги в построении реальной модели внутреннего строения нашей планеты, с учетом всей имеющейся геофизической  информации, накопленной за много  лет, сделали американские геофизики  Адамс и Вильямсон в 1923 году. Однако сейсмологи в те годы еще не могли дать достаточно точных значений для скоростей упругих колебаний. И потому работа американцев страдала многими неточностями.

Исправить недостатки и  уточнить скорости взялись два крупнейших геофизика тридцатых годов. С  одним из них мы уже встречались, когда разговор шел о гипотезах происхождения Земли. Это Гарольд Джефрис, профессор Кембриджского университета в Англии. Другой - Бено Гутенберг, немецкий ученый, эмигрировавший из фашистской Германии за океан.

Целых десять лет продолжалась их работа. Результаты, достигнутые Джефрисом и Гутенбергом, позволили австралийскому геофизику Буллену, стажировавшемуся у Джефриса, построить новую модель Земли, в которой он ввел удобное разделение на зоны.

И все-таки к началу пятидесятых  годов классический период в геофизике, опиравшийся в основном на методы механики, закончился. В Советском Союзе и в США появились работы В.А. Магницкого и Ф. Берча, применивших для геофизических целей современные методы физики твердого тела и физики высоких давлений. Я уже рассказывал немного об их опытах и выводах. В результате была построена современная модель оболочки Земли, которая включает в себя литосферу и верхние слои мантии.

Прежде всего, под жесткой корой - литосферой, плиты которой мы сравнивали с громадными льдинами-айсбергами, плавающими на «океане подкорового вещества», примерно с семидесятикилометровой глубины начинается новый, неизвестный слой. В нем скорость распространения сейсмических волн резко падает. Это - астеносфера. Кое-где местами в ней располагаются первичные магматические очаги вулканов. Там плавится и кипит базальтовая магма, которая потом по трещинам и вулканическим каналам поднимается на поверхность. Температура этих очагов очень близка к температуре плавления глубинного вещества мантии. И потому они увеличивают вязкость всего подкоркового вещества.  Конечно, астеносферу можно назвать текучей лишь в сравнении с каменными монолитами. Невероятно медленно движется нечто, что составляет подкорковый слой, перетекая с места на место.

Вы, наверное, знакомы с варом - черной густой смолой, которая применяется в строительном деле. Вар легко колется на куски. Значит, он твердый. Но оставьте его на долгое время в покое - и кусок растечется лужей, которая будет так же колоться. Вещество астеносферы еще более вязкое, чем вар, но и оно способно перетекать из одного места в другое. Только очень медленно.

Примерно с двухсотпятидесятого  километра глубины скорость распространения  сейсмических волн снова начинает расти. Здесь уже давление в недрах так  велико, что температура плавления сдавленного вещества повышается. Вещество мантии постепенно уплотняется, и скорости упругих колебаний в нем растут. Но растут медленно, будто накапливают силы. Потом вдруг резкий скачок! Ученые полагают, что здесь начинается зона фазовых переходов. Здесь оливин превращается в более твердую шпинель.

И снова с глубиной идет плавное нарастание скоростей  до зоны нового скачка - второй зоны фазовых переходов. Может быть, там происходит распад силикатов на окислы. Мы уже упоминали о стишовите, можно представить себе также уплотненные окислы и других элементов - железа, алюминия. А может быть, и наоборот, основные породообразующие 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 все увеличивающегося давления вышележащих слоев. И так происходит до самой границы с ядром Земли.

Итак, восхождение от центра Земли к ее периферии связано с пересечением следующих геосферных оболочек:

1. внутреннего ядра Земли,
2. внешнего ядра Земли,
3. нижней мантии Земли,
4. средней мантии Земли,
5. верхней мантии Земли,
6. астеносферы,
7. нижнего слоя литосферы,
8. раздела Мохоровичича,
9. земной коры (верхнего слоя литосферы),
10. гидросферы,
11. атмосферы,
12. магнитосферы (магнитного поля Земли).

Заключение

Исследование глубинного строения Земли относится к наиболее крупным и актуальным направлениям геологических наук. Новая стратификация  мантии Земли позволяет значительно  менее схематично, чем прежде, подойти к сложной проблеме глубинной геодинамики. Различие в сейсмических характеристиках земных оболочек (геосфер), отражающих различие в их физических свойствах и минеральном составе, создает возможности для моделирования геодинамических процессов в каждой из них в отдельности. Геосферы в этом смысле, как теперь совершенно ясно, обладают известной автономностью.  От дальнейшего развития сейсмотомографии, как и некоторых других геофизических исследований, а также изучения минерального и химического состава глубин будут зависеть существенно более обоснованные построения в отношении состава, структуры, геодинамики и эволюции Земли в целом.