На суше и на море 1964(5)

ФАКТЫ, ДОГАДКИ, СЛУЧАИ...

В ЦЕНТРЕ ЗЕМНОГО ШАРА

Область неизведанного

От процессов, протекающих в глубинах земного шара, сосредоточенных там полезных ископаемых и источников энергии во многом зависит вся жизнь человечества. Но, несмотря на огромное научное и практическое значение исследования земных недр, несмотря на усилия многих поколений ученых, глубинные части нашей планеты до сих пор представляют своеобразный сборник загадок.

Объясняется это тем, что непосредственно в глубь Земли человек проник на ничтожно малое расстояние — 3670 метров. Это глубина одной шахты («ЭРПМ Майн») по добыче золота в Южной Африке. На большую глубину проникли нефтяные скважины — около восьми километров (в США). А дальше, как отмечает советский геофизик, член-корреспондент Академии наук СССР В. В. Белоусов, «начинается область весьма неопределенных предположений, гипотез и соображений».

Восемь километров... От поверхности же Земли до ее центра в среднем 6371 километр, то есть пройдена всего лишь одна восьмисотая часть радиуса земного шара. Недра нельзя наблюдать с помощью какого-либо инструмента, как, например, наблюдают в телескоп небесные тела; в глубокие недра нельзя пока что послать аппарат, подобно тому, как в космос посылают ракеты... Естественно поэтому, что большая часть наших знаний о глубинных частях Земли получена не путем непосредственного изучения, а в результате применения косвенных методов исследования, расчетов, путем сравнения с другими планетами Солнечной системы.

Хуже всего изучена центральная часть нашей планеты — земное ядро, о котором мы имеем лишь отдельные, во многом противоречивые и весьма гипотетические представления. Но именно с этой частью земного шара связано происхождение магнитного поля Земли, изучение которого важно для многих отраслей науки и практики.

Возникает вопрос: есть ли вообще хоть какие-нибудь реальные сведения о центральной области Земли? Оказывается, есть, но, прежде чем рассказать о них, напомним вкратце некоторые основные данные о внутреннем строении нашей планеты.

В глубь Земли

Когда происходит землетрясение (по-гречески «сейсмос»), от его центра во все стороны расходятся колебания (волны), называемые сейсмическими. Они улавливаются очень чувствительными приборами — сейсмографами. Существует несколько видов сейсмических волн. Стремительно — от 5 до 13 км/сек— бегут продольные волны (рис. 1). Это волны растяжения и сжатия, при которых частицы вещества колеблются по направлению движения волн, а само вещество то сжимается, то растягивается (то есть происходит изменение его объема). Близкие по характеру к звуковым продольные волны проходят через газообразные, жидкие и твердые тела.

Медленнее, чем продольные, распространяются поперечные волны, при которых частицы вещества колеблются перпендикулярно к направлению движения волны (рис. 2). Прохождение поперечных волн связано с деформацией, изменением формы тела, жидкости же и газы не оказывают сопротивления изменению формы. Поэтому-то поперечные волны могут проходить лишь в твердых телах.

В разных горных породах, в различных слоях сейсмические волны идут с разными скоростями. Исследовав скорости распространения волн, их преломление и отражение, ученые установили существование в недрах Земли нескольких основных оболочек (слоев). На определенной глубине, там, где скорость продольных волн возрастает скачком с 6,5 до 8 км/сек, проходит граница, называемая поверхностью Мохоровичича. Она разделяет два земных слоя; части Земли, лежащие выше поверхности Мохоровичича, называются земной корой. Ее толщина достигает 60 и даже 70 километров под горными хребтами и уменьшается до пяти километров под океанами (рис. 3).

Рис. 1

Та часть земного шара, которая расположена между поверхностью Мохоровичича и границей на глубине 2900 километров, называется мантией. Скорость продольных волн в этой оболочке — если идти от поверхности к центру Земли — все время возрастает и у нижней границы мантии достигает 13,6 км/сек. Здесь же, на глубине 2900 километров, скорость продольных волн вдруг скачком уменьшается до 8,1 км/сек, а поперечные волны вообще затухают.

Рис. 2

Эта резкая граница отделяет мантию от следующей оболочки — земного ядра; его точные размеры были определены лишь в начале XX века. Перед второй мировой войной было выделено еще и внутреннее ядро. Теперь часть земного шара от 2900 до 5000 километров называют внешним ядром, а от 5000 километров до центра планеты — внутренним ядром.

Наша Земля — сплошное тело, в котором пустоты встречаются лишь в тонком поверхностном слое. В глубоких частях земного шара их не может быть из-за колоссального давления вышерасположенных слоев. На поверхности земного шара на нас давит лишь слой воздуха, и давление здесь невелико — примерно одна атмосфера (1 кг/см2). В глубинах океана давят уже воздух плюс толща воды, и давление там поднимается до 1000 атмосфер. Но даже эта внушительная цифра бледнеет перед давлениями в глубоких недрах нашей планеты, где кроме воздуха и воды давит вся масса земного вещества. На границе мантии и ядра давление достигает 1,4 миллиона атмосфер, а в центре земного шара превышает 3,5 миллиона атмосфер!

Пылающие недра

Необходимость добывать полезные ископаемые заставляла людей все глубже и глубже зарываться в землю. При этом было замечено, что с глубиной довольно быстро возрастает температура. Так, в шахтах Донбасса на глубине 800—950 метров она достигает 27—30°, а в одной из нефтяных скважин в США 244° (на глубине 7136 метров).

Ученые произвели многочисленные измерения и установили, что на каждые 100 метров температура вначале повышается на 1—3°, затем — с глубиной — рост ее замедляется. Изучение вулканической лавы и теоретические расчеты приводят к выводу, что на глубине 100 километров температура не выходит за пределы 900—1500°. Температура же более глубоких слоев точно неизвестна, но большинство ученых придерживается таких цифр, как 3000-6000°.

Наша Земля в целом — твердое, упругое тело. Об этом неопровержимо свидетельствуют приливы. Причина их возникновения — сила притяжения Луны и Солнца. Приливы наблюдаются не только в Мировом океане, но и в земной коре. В океанах высота приливной волны достигает 16 метров, в твердой же оболочке Земли — лишь 0,5 метра. Ученые рассчитали, что такие же приливы были бы и в стальном шаре величиной с Землю. Значит, наша планета обладает в целом твердостью стали.

На первый взгляд тут определенное противоречие: только что говорилось, что температура на глубине 100 километров достигает 1500°, а вслед за этим утверждается, что Земля — твердая. Известно, что при 1500° плавятся все горные породы. Почему же остается твердым вещество в земных недрах?

Объясняется это тем, что в глубинных частях Земли вещество находится под высоким давлением. Точка же плавления зависит от давления: чем оно выше, тем большая температура нужна для того, чтобы вещество перешло в жидкое состояние. Так, железо, которое в обычных условиях плавится при 1500°, с увеличением давления до 96 тысяч атмосфер может расплавиться лишь при температуре 1740°. В мантии температура, видимо, растет медленнее, чем давление, и вещество расплавиться не может. Находящееся под большим давлением сильно разогретое вещество уже на глубине 15—20 километров, как считает профессор Г. П. Горшков, приобретает свойство пластичности.

Примером вещества, обладающего пластичностью, на поверхности Земли может служить вар. При ударе он колется; оставленный на ровном месте — растекается. Таким образом, вар соединяет в себе некоторые свойства как твердых, так и жидких тел.

Обладающее пластичностью вещество в земных недрах медленно, но непрерывно перемещается, что и является причиной горообразования, землетрясений и извержений вулканов.

Таковы самые общие сведения о внутреннем строении нашей планеты. Как видите, вещество в земной коре и мантии находится в твердом состоянии. В каком же состоянии находится вещество в ядре Земли?

Величайшая динамомашина

Вспомним, что скорость продольных волн — если идти от поверхности Земли к центру — на границе мантии и ядра падает, а поперечные волны через внешнее ядро вообще не проходят. Так как поперечные волны не распространяются в газообразных и жидких телах, то приходится сделать вывод, что внешнее ядро находится или в газообразном, или в жидком состоянии. Но газообразным оно не может быть: температура в ядре для этого мала. Остается предположить, что внешняя часть ядра Земли находится в жидком состоянии. Видимо, рост температуры во внешнем ядре — в отличие от мантии — обгоняет рост давления, и вещество плавится.

Поперечные волны, исчезнувшие на границе мантии и внешнего ядра, вновь появляются во внутреннем ядре Земли: скорость же продольных волн в нем поднимается. Это говорит о том, что центральная часть нашей планеты твердая.

Возможно ли, чтобы наружное ядро было жидким, а внутреннее — твердым?

Температура в ядре благодаря высокой теплопроводности вещества везде более или менее одинакова. Но в наружной части ядра давление меньше, чем во внутренней, поэтому вещество там расплавилось. Во внутреннем же ядре — при той же температуре — давление выше, и это более высокое давление мешает переходу вещества в жидкое состояние.

С помощью советских космических ракет удалось установить, что источники мировых магнитных аномалий расположены не в земной коре, а в более глубоких слоях, скорее всего в ядре. Информация, полученная от ракет, показала также, что у Луны нет магнитного поля. Смотрите, какая интересная зависимость: у Земли есть и ядро, и магнитное поле; у Луны нет ни ядра, ни магнитного поля. Значит, постоянное магнитное поле нашей планеты связано с существованием земного ядра. Но чтобы объяснить возникновение этого магнитного поля, придется признать, что ядро нашей планеты жидкое. И вот почему.

Давно известно, что земной шар обладает свойствами магнита. Силовые линии магнитного поля Земли, будучи продолжены в ее недра, сходятся близ центра планеты. Постоянное магнитное поле Земли медленно меняется. Эти изменения нельзя объяснить ни геологическими процессами, ни температурными явлениями в земной коре, так как и те и другие заметно меняются лишь за миллионы и десятки миллионов лет, а изменение магнитного поля Земли происходит за сотни лет. Значит, источник магнетизма приходится искать в земном ядре. Как же можно объяснить происхождение этого магнетизма?

В результате выделения тепла при радиоактивном распаде на границе мантии и ядра возникает разница температур. Это вызывает течения в жидком веществе. «Поскольку в нем всегда присутствуют слабые магнитные поля,— пишет советский геофизик В. А. Магницкий,— возникает механизм, подобный динамомашине, работающей на самовозбуждении. Конвекционные течения металлического вещества представляют проводники, движущиеся в слабых магнитных полях; в результате в проводниках возникают индукционные токи, которые создают свои магнитные поля, усиливающие процесс. В итоге каждая конвенктивная ячейка создает свое довольно сильное магнитное поле. Эти поля имеют разные знаки и, суммируясь, дают в результате не очень сильное поле Земли». Течения в жидком ядре меняют направление, что и вызывает смещение магнитного поля.

Исследования лауреата Ленинской премии М. С. Молоденского колебаний полюсов и приливов в теле Земли показали, что твердость внешней части ядра в десятки и даже сотни раз меньше, чем мантии, то есть ядро нашей планеты жидкое.

Итак, все: и распространение сейсмических волн, и изучение магнитного поля Земли, и исследования приливов — говорит о том, что ядро земного шара, во всяком случае внешнее, находится в расплавленном состоянии. Если это так, то должна существовать дополнительная нутация — колебательное движение, нечто вроде «болтанки» земной оси, вызываемой перемещениями вещества во внешнем ядре. Недавно эту нутацию удалось обнаружить: оказалось, что ее период на семь минут короче суток. Это — убедительное доказательство в пользу существования жидкого ядра: если бы оно было твердым, то такой «болтанки» земной оси не было бы.

В настоящее время большинство советских и зарубежных ученых считают внешнее ядро Земли жидким. «Конечно,— пишет В. В. Белоусов,— оно далеко не такое жидкое, как вода; это очень густое вещество, близкое к твердому состоянию, но все же более текучее, чем вещество мантии».

«Горн плавильной печи»

Ядро интересно не только тем, что вещество в нем находится в жидком состоянии, а движение заряженных частиц служит причиной возникновения магнитного поля Земли; ядро привлекает внимание ученых также поразительно большой плотностью и высокой электропроводностью.

Средняя плотность Земли высчитана с большой точностью. Разделив вес земного шара на его массу, узнали, что кубический сантиметр условного, если так можно сказать, «среднего» вещества нашей планеты весит 5,52 грамма, Но это именно средняя цифра для земного шара в целом. Поверхностные слои Земли сложены легкими породами; исследования показали, что их плотность всего лишь 2,7—2,8 г/см3. Раз наружные слои нашей планеты сложены столь легкими породами, значит, плотность вещества на больших глубинах должна быть значительно более высокой: иначе не получится средняя плотность 5,52 г/см3. Путем сложных расчетов ученью пришли к заключению, что в земной коре и мантии — по мере приближения к центру планеты — плотность неуклонно увеличивается, достигая на границе с ядром почти 6 г/см3.

И вот, все на той же глубине, 2900 километров, плотность вещества вдруг скачком возрастает до 9,5 г/см3. Затем плотность вновь увеличивается постепенно, превышая в центре планеты 12,5 г/см3, а по мнению некоторых ученых, достигает даже 16—18 г/см3.

Как же объяснить этот скачок плотности на границе мантии и ядра?

Химический состав мантии плохо известен; возможно, что с глубиной доля тяжелых элементов, прежде всего железа, возрастает. Исходя из этого, в XIX веке высокую плотность ядра стали объяснять тем, что оно состоит из металлов. В то время в науке о происхождении планет Солнечной системы господствовала гипотеза Канта — Лапласа, согласно которой Земля была вначале огненно-жидкой, а потом постепенно остыла. Казалось вполне естественным, что в жидкой Земле тяжелые элементы «стекли» к центру, а более легкие были вытеснены к поверхности. В пользу существования железо-никелевого ядра говорит как будто бы и магнитное поле Земли, связываемое с намагниченностью металлического ядра.

В 1839 году русский минералог Д. Соколов писал: «...Земля наша представляет шарообразное тело, состоящее из твердой скорлупы и огненно-жидкого ядра... в расплавленной внутренности земного шара минералы расположены по относительному весу так, что в самой внутренности его заключаются металлы, а вокруг них камни... в ярусе металлов главную роль играет железо... Внутренность земного шара представляет по этим соображениям как бы горн плавильной печи, в котором нижнюю часть занимают всегда металлы, а верхнюю шлаки».

Когда в науке возобладала гипотеза о происхождении Земли из холодной газопылевой туманности с последующим разогревом, то образование ядра стали объяснять разделением вещества по тяжести: сильно нагретое вещество со временем приобрело свойство пластичности, тяжелые глыбы стали опускаться к центру и образовали металлическое ядро; вокруг расположились легкие массы, из которых сложились мантия и земная кора.

Долгое время гипотеза железного ядра сомнений не вызывала. Но постепенно накапливались факты, заставившие ученых задуматься.

Не хватит и миллиарда лет..

Для глубоких недр нашей планеты характерно непрерывное перемещение вещества. В течение миллиардов лет тяжелые глыбы опускаются к центру земного шара, более легкие выдавливаются к поверхности. «Однако,— пишет советский астроном Б. Ю. Левин,— вязкость недр столь велика, что даже огромные железные включения (поперечником в десятки и сотни метров) должны «тонуть» с ничтожно малой скоростью и не могли бы даже за миллиарды лет существования Земли опуститься к центру и образовать ядро».

Вязкость вещества растет с давлением. При увеличении давления от 1 до 12 тысяч атмосфер вязкость ртути, например, повышается на 30 процентов, воды — в два, а метилового спирта — в десять раз. Это при 12 тысячах атмосфер; насколько же возрастает вязкость при давлениях в сотни тысяч и миллионы атмосфер?!

То, что говорилось о медленности перемещения вещества, относится к мантии и в меньшей степени к внешнему ядру; говорить же о разделении вещества по тяжести во внутреннем ядре не имеет смысла, так как там сила тяжести близка к нулю. Это первое, что заставляет сомневаться в существовании ядра, состоящего из металлов. Второе сомнение возникает, когда мы начинаем внимательно присматриваться к границе, разделяющей ядро и мантию.

Эта граница — судя по сейсмическим волнам — очень четкая. Такая граница может быть только в том случае, если разделение вещества по тяжести уже закончилось. Но ведь оно продолжается! Об этом говорят землетрясения, извержения вулканов, горообразование... Если же разделение вещества по тяжести не закончилось, то не может быть четко выраженной границы между ядром и мантией. А раз она есть и везде к тому же проходит на одинаковом расстоянии от поверхности, значит, разделение вещества по тяжести и образование границы, проходящей на глубине 2900 километров, не связаны друг с другом.

Странно и то, что у более крупных планет — у Земли и Венеры — тяжелые ядра есть, а у менее значительных — Марса и Луны — их нет. Получается, что на одних планетах тяжелых металлов почему-то много, а на других мало...

Все эти неувязки привели к тому, что еще перед второй мировой войной мысль о существовании ядра, состоящего из металлов, была подвергнута критике. Но, прежде чем говорить о ней, несколько слов необходимо сказать об изменении свойств веществ под сверхвысоким давлением: иначе новая гипотеза будет непонятна.

Горячий лед

В настоящее время в лабораториях получают давления до 500 тысяч атмосфер. Это давления, действующие на вещество в течение длительного времени; давления же, получаемые на какое-то мгновение при ударном сжатии (при взрывах), превышают 3,5 миллиона атмосфер. Так вот, оказалось, что свойства веществ, подвергнутых высокому давлению, сильно изменяются. Стали и сплавы делаются прочнее, металл приобретает свойства жидкости. При давлениях 10—20 тысяч атмосфер мрамор, известняк и даже такие хрупкие породы, как гранит и диабаз, становятся пластичными и приобретают форму того сосуда, в котором они находятся.

Разновидность льда, полученная при давлении 40 тысяч атмосфер, плавится лишь при температуре 109°. Какой парадокс: лед, о котором недаром говорят «холодный как лед», тут настолько горяч, что до него нельзя дотронуться рукой. Горячий, но не тает! В Институте физики высоких давлений Академии наук СССР удалось — при давлении 200 тысяч атмосфер и температуре 1500° — получить новую разновидность кварца, которая на 64 процента плотнее обычного; по твердости полученный кварц почти равен корунду. При помощи высоких давлений из графита теперь получают алмазы.

Под воздействием большого давления неметаллы могут приобретать некоторые свойства металлов: например, высокую теплопроводность и электропроводность. Так, у фосфора под сильным давлением резко возрастают плотность и электропроводность. По теоретическим расчетам, при давлениях порядка 2 миллиона атмосфер водород перейдет в металлическое состояние.

Эти факты говорят о том, что по мере нарастания давления и температуры в недрах Земли в какой-то степени должны меняться и свойства вещества. Это и навело на мысль, что причиной высокой плотности ядра может быть не его металлический состав, а переход в нем вещества в так называемое металлическое состояние.

Планета сжалась

В 1939 году профессор Ленинградского горного института В. Н. Лодочников выдвинул гипотезу, по-новому объясняющую высокую плотность земного ядра. На глубине 2900 километров, писал он, давление достигает 1,4 миллиона атмосфер. При таком давлении электронные оболочки атомов разрушаются, ядра атомов сближаются, что и ведет к скачкообразному возрастанию плотности вещества. По химическому же составу ядро не отличается существенно от мантии.

В 1948 году, видимо независимо от Лодочникова, английский ученый В. Рамзей разработал гипотезу о переходе вещества в земном ядре в металлическое состояние в результате воздействия колоссального давления. На границе мантии и ядра, считает Рамзей, давление приводит к частичному разрушению электронных оболочек атомов. Отрыв электронов облегчает процессы сжатия и уплотнения вещества, которое получает при этом новые свойства: по твердости оно становится похожим на жидкость, а по электропроводности — на металл. Это свойство придают веществу электроны, «высвободившиеся» при разрушении оболочки атомов. Рамзей полагает, что вещество земного ядра напоминает металлическое состояние оливина — минерала, богатого железом и магнием и широко распространенного в мантии.

Согласно гипотезе Лодочникова — Рамзея Земля вначале не имела ядра, так как в ее недрах давление было относительно невелико. По мере того как масса планеты увеличивалась, возрастало и давление в недрах. Около пяти миллиардов лет назад масса Земли достигала 0,8 современной, давление в недрах поднялось до 1,4 миллиона атмосфер. И тогда произошла небывалая геологическая катастрофа. Наша планета буквально сжалась, уменьшилась в объеме, ее радиус сократился на 100 километров. Это случилось из-за уплотнения вещества, образовавшего ядро в центральной части Земли. За несколько часов плотность ядра увеличилась примерно вдвое, а объем его уменьшился...

Гипотеза Лодочникова — Рамзея устраняет трудности, связанные с разделением вещества по тяжести, объясняет скачок плотности на границе мантии и ядра. Изменение свойств на границе внутреннего ядра — это, видимо, результат следующего фазового перехода. Ядро, не являясь металлическим по химическому составу, обладает теми же свойствами, как и ядро, состоящее из металлов.

Образование ядра — согласно этой гипотезе — не связано с завершением разделения вещества по тяжести: перемещение вещества продолжается, а ядро существует независимо от этого процесса. Понятной становится и резкая граница между мантией и ядром: фазовый переход происходит сразу же после достижения критического давления. Граница проходит везде на одной и той же глубине потому, что давление поднимается до критического уровня в любой точке на одном и том же расстоянии (2900 километров) от поверхности.

Получает объяснение и разница в строении планет Солнечной системы. Венера имеет тяжелое ядро потому, что масса ее близка к массе Земли, и давление в недрах Венеры достаточно для уплотнения вещества и образования ядра. У Марса же и Луны тяжелых ядер нет, ибо массы этих небесных тел меньше, чем Земли и

Венеры, и давление в их недрах недостаточно для фазового перехода.

Гипотеза Лодочникова — Рамзея, удовлетворительно объясняя многое во внутреннем строении Земли, получила широкое распространение, хотя некоторые ученые остаются сторонниками идеи железного ядра.

Исследования продолжаются

Несколько лет назад советский ученый Л. В. Альтшуллер и его сотрудники проводили в лаборатории опыты по ударному сжатию оливина. Они установили, что при давлении 1,4 миллиона атмосфер скачка плотности в оливине не происходит.

Гипотеза Лодочникова — Рамзея оказалась поколебленной. Но не отвергнутой. Ведь высокое давление в лаборатории достигалось лишь на мгновение, тогда как в недрах Земли оно существует в течение миллиардов лет; к тому же вещество там сильно разогрето. И, наконец, все возражения против полезного ядра остаются в силе.

Опыты показывают, что один и тот же результат может быть получен двумя различными путями: первый — это сравнительно длительное приложение высокого давления и высокой температуры; второй — это воздействие при ударном сжатии взрывной волны в течение миллионных долей секунды. То, чего не произошло при опытах с ударным сжатием в лаборатории, могло произойти в недрах Земли в результате длительного воздействия в условиях высоких температур.

Во внутреннем строении Земли многое остается еще неясным. Большой шаг вперед в изучении недр нашей планеты будет сделан в результате осуществления планов сверхглубинного бурения. Через несколько лет скважины уйдут на 12—15 километров в глубь Земли; некоторые из них пройдут через раздел Мохоровичича и достигнут вещества мантии, которого не видел еще никто из людей.

А потом в глубокие недра нашей планеты двинутся самоходные аппараты. Наверное, предполагает академик М. А. Лаврентьев, это будут своеобразные подземные корабли, снабженные большим запасом энергии — скорее всего атомной. «С помощью ядерной установки будут разрушаться породы для проходки. Очень важно снабдить подземного разведчика аппаратурой, способной безотказно передавать на поверхность разнообразную геологическую информацию».

Это пока еще мечта. Но она станет такой же явью, какой стали в наши дни полеты в космос.

Вл. Еречетов