Текст книги "Тайны подземного мира"

Автор книги: Алим Войцеховский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 30 страниц)

Внутреннее строение Земли

Человеку давно хотелось узнать, что находится в глубине Земли. Но узнать это не так‑то легко и просто. Наука еще не изобрела такой аппарат, в котором человек мог бы проникнуть в глубокие недра планеты и исследовать их. Пока что людям удалось проникнуть внутрь Земли на столь незначительное расстояние, которое подобно укусу жалом комара «внутренностей» человека.

В связи с этим нашим ученым приходится судить о строении земных недр по косвенным признакам, так как, для того чтобы пробурить скважину или шахту глубиной всего лишь в несколько километров, нужно затратить многие месяцы, а то и годы дорогостоящего труда. Вот и приходится специалистам исследовать внутренность Земли с помощью геофизических методов: сейсмического, гравиметрического и магнитометрического.

Первый из них наиболее важен и является основным. Суть его заключается в том, что на поверхности Земли искусственно (например, путем взрыва) создают упругие колебания – сейсмические волны, которые имеют определенные особенности при прохождении земных недр: в плотной среде скорость этих волн возрастает, в рыхлой – резко снижается, а в жидкостях– некоторые из них вообще не распространяются.

Сейсмические волны делятся на объемные и поверхностные. Объемные волны – продольные и поперечные – представляют собой упругие волны сжатия и упругие волны сдвига. Отметим, что объемные волны в упругой Земле распространяются так же, как световые лучи в оптических средах. Объемные волны, в отличие от поверхностных, пронизывают все тело нашей планеты, то есть они в буквальном смысле слова «просвечивают» Землю и, подобно рентгеновскому анализу, выявляют внутреннее ее строение.

Поверхностные волны, как и объемные, бывают двух типов. Различаются они по виду деформации. В первом случае она чисто сдвиговая, а во втором – как сдвиговая, так и объемная. Скорости поверхностных волн обнаруживают зависимость от длины или частоты волны. Это свойство поверхностных волн используют для изучения структуры наружных слоев Земли.

Эти рисунки демонстрируют основные современные представления о строении Земли и глобальных процессах, происходящих в ее недрах.

На этой схеме Земля «разрезана», как арбуз, из нее вырезан ломтик. Вверху – слой атмосферы, далее – земная кора, внизу она ограничена так называемой границей Мохоровичича. Затем – мантия (верхняя и нижняя); внешняя (жидкая) часть земного ядра и, наконец, твердая, внутренняя, часть ядра. Земная кора вместе с верхней частью мантии образует так называемую литосферу, глубже лежит пластичная астеносфера.

Сейсмические колебания, проходя земной шар насквозь или частично отражаясь от разделов сред с различной плотностью, возвращаются на поверхность Земли, где они регистрируются и изучаются. По полученным данным можно судить о глубинах залегания тех или иных разделов, получать сведения о физических свойствах тех сред, сквозь которые прошли сейсмические волны, и т. д. С этой же целью сейсмологи изучают и землетрясения, которые вызывают упругие колебания естественным путем.

Как оказалось, земной шар внутри, подобно луковице, состоит из нескольких концентрических оболочек, вложенных одна в другую. Наиболее отчетливо выделяются три оболочки (или геосферы), о которых уже упоминалось выше: наружная земная кора (литосфера), мантия, составляющая 83 % объема Земли и 67 % массы нашей планеты, и ядро в середине.

При переходе из одной геосферы в другую скорости сейсмических волн на поверхности их раздела изменяются скачком. Поверхность, отделяющая кору от мантии, называется обычно поверхностью или границей Мохоровичича (сокращенно ее называют «мохо» или «поверхность М»).

Впервые идея о сферическом строении нашей планеты была высказана профессором Гёттингенского университета Э. Вихером в 1897 году. В начале XX столетия австрийский геолог Э. Зюсс предложил выделить пять оболочек Земли, каждой из которых было дано название, исходя из первых букв, главенствующих в той или иной оболочке элементов: силициум, алюминий, магний, хром, феррум и никель.

В дальнейшем эти идеи получили научное обоснование. Глубокие скважины и шахты дали геологам возможность изучить лишь верхние слои земной коры. Однако глубина горных выработок пока еще слишком мала. Самая глубокая скважина в мире была пробурена на Кольском полуострове в нашей стране, ее глубина немногим превышает 12 километров. Гораздо меньшую глубину имеют используемые ныне шахты. Максимальная глубина одной из самых глубоких шахт – «Ист Рэнд» в Южной Африке – достигает только 3428 метров. Если сравнить эти цифры со средним радиусом Земли, то окажется, что даже самая глубокая современная скважина проникает в тело Земли не глубже, чем булавочный укол в толстую кожу бегемота.

Если мы с вами, уважаемые читатели, взглянем на земной глобус, то прежде всего нам бросится в глаза, что суша и вода собраны в обширные пространства: суша – в материки, вода – в океаны. Правда, в океанах мы обнаруживаем острова, а на суше озера. Но это не нарушает общей картины. Проведенные исследования показали, что разделение земной поверхности на материки и океаны совсем не случайно, а зависит, как оказывается, от строения земной коры.

Дело в том, что материковая кора устроена иначе и отличается по толщине, а также по своему строению от океанической. Если отнести к материкам всю площадь, занимаемую сплошной материковой корой, то такие материки будут значительно больше наблюдаемых нами на глобусе. Оказывается, что мелкие моря и заливы и просто прибрежные морские зоны глубиной до 200 метров (а иногда и больше) – это все части материков, лишь временно залитые морем. Они называются шельфом. На шельфах, например, находятся моря Белое, Азовское, Восточно – Сибирское, Гудзонов залив и т. д.

Океаническая кора, наоборот, занимает не все пространство океанов, поскольку она расположена только там, где глубина моря превышает… 4 километра. Остальная площадь Земли покрыта корой промежуточного типа. В целом вся земная кора занимает около 1 % по объему и около 0,5 % по массе.

Самая верхняя оболочка нашей планеты – земная кора (слой А) – представляет собой весьма тонкое «покрывало», под которым скрыты неспокойные недра Земли. В среднем толщина коры или, если говорить образно, тонкой пленки, в которую «обернут» земной шар, составляет всего 0,6 % от длины радиуса Земли.

Земная кора отделяется от нижележащего слоя, как уже говорилось, поверхностью Мохоровичича. Эта поверхность повторяет рельеф земной поверхности в перевернутом виде, то есть как бы отраженной в горизонтальном зеркале. Ниже нее располагается мантия Земли, самая верхняя часть (слой В) которой, непосредственно находящаяся под корой, называется субстратом. Плотность вещества мантии выше плотности пород земной коры и колеблется от 3,3 г/см³ в верхней части до 6–9 г/см³ в низах мантии. Некоторые ученые делят мантию на верхнюю и нижнюю (граница между ними лежит на глубине 900 километров).

Верхняя мантия изучена лучше нижней, но и в отношении ее многое еще не совсем ясно. Характерная черта строения верхней мантии – ее расслоенность. Например, на глубине около 100 километров под материками и около 50 километров под океанами находится слой, близкий к плавлению или даже содержащий расплавы составляющих его пород, он носит название астеносферы (слой Гутенберга). Благодаря пластичности астеносферы, что буквально можно перевести как «слабая сфера», лежащие выше нее твердые блоки (плиты) земной коры могут скользить по ней.

Расплавленная магма, которая питает земные вулканы, образуется только в отдельных местах в коре или приходит туда из отдельных очагов (карманов), расположенных в субстрате или астеносфере, а может быть, и несколько глубже. Твердость верхней мантии подтверждается еще тем, что в ней (как и в коре) наблюдаются очаги землетрясений, которые находятся на глубине до 700 километров. Глубже землетрясений вообще не бывает.

Вся остальная часть верхней мантии под астеносферой называется слоем Голицына (слоем С). В то же время нижняя мантия (слой D), располагающаяся в интервале глубин от 900 до 2920 километров, характеризуется большой плотностью вещества и большой скоростью распространения упругих колебаний. Дальше располагается только земное ядро.

Немного о ядре земного шара

Как, вероятно, уже догадался любознательный читатель, речь в данном случае пойдет о земном ядре, которое занимает центральную часть Земли, составляя около 17 % ее объема и 33 % ее массы, и в отношении которого единой точки зрения среди ученых не существует.

Сейсмические данные указывают на сложное строение ядра: оно состоит из двух, а возможно, и более концентрических оболочек с несколько различающимся составом. Пожалуй, наиболее достоверно все же то, что оно делится на внешнее и внутреннее ядро с промежуточным слоем толщиной 300 километров.

Внешнее ядро (слой Е) заключено в пределах 2900–5000 километров. Его объем 15,16 %, а масса 29,8 %. Ядро хорошо пропускает продольные волны, но поперечные сейсмические волны через него не проходят. На этом основании предполагается, что данный слой находится в расплавленно – жидком состоянии. Косвенным подтверждением этого является наличие приливных колебаний внутри Земли. Если бы весь земной шар был твердым, то приливные колебания на поверхности Земли проявлялись бы значительно слабее, чем они сегодня наблюдаются.

В основании внешнего ядра располагается переходная оболочка (слой Р), находящаяся в интервале глубин 5000–5200 километров и характеризующаяся некоторым увеличением скорости продольных упругих колебаний. Впрочем, поперечные сейсмические волны в ее пределах, как и в слое Е, не распространяются.

Внутреннее ядро (слой (3 или субъядро) занимает самую сердцевину нашей планеты. Его радиус 1250 километров, объем где‑то около 7 %, а масса составляет около 1,2 % от массы Земли в целом. В нем скорость продольных волн еще более возрастает. Однако факты прохождения поперечных волн свидетельствуют о том, что внутренняя часть ядра является, по-видимому, близкой к расплавленному состоянию. Плотность вещества внутреннего ядра достигает 13 г/см³ и более.

О химическом составе ядра Земли существуют два основных мнения. Одни исследователи считают ядро железным, но состоящим из никеля и железа. Другие же считают, что оно сложено силикатами, которые находятся в «металлизированном» состоянии. Однако последнее предположение ставится под большое сомнение. Сейчас преобладает промежуточная точка зрения, согласно которой внутреннее ядро – скорее всего железоникелевое, а внешнее сложено сверхплотными силикатами, которым, однако, присуще высокое содержание железа и никеля.

Более десяти лет назад американскими геологами была сделана удивительная находка, ставшая «последней каплей», которая склонила чашу весов в пользу модели земного ядра, состоящего из внешнего слоя, сложенного сверхплотными силикатами, и внутреннего, железоникелевого субъядра…

В 1974 году в обломках гравия горного хребта Кламат в штате Орегон был обнаружен минерал, не имеющий ничего общего ни с одним из известных на Земле минералов. Первоначально предположили, что это обломок небесного метеорита, но на образце не было следов обжига, ударного воздействия. Кроме того, на метеоритах остаются космические метки за счет жесткого облучения Солнцем, здесь же было все чисто. Вывод был сделан один – это минерал чисто земного происхождения. Что же в нем было необычного?.. Представьте себе, только его химический состав.

Геологи и геохимики Корнуоллского университета США определили, что минерал, названный, кстати, ими джозефинитом, состоит на 86 % из металлов и на 14 % из силикатов. Металлическая фракция сложена никелем (69,9 %) и железом (30,1 %). По своему составу обсуждаемый минерал как нельзя лучше соответствует гипотетическому веществу внешнего ядра Земли, у него высокая плотность и своеобразная уплотненная структура. Ученые предполагают, что кусочек самых глубоких внутренних сфер нашей планеты был вынесен на ее поверхность мощными потоками мантийного материала.

Таким образом, современные данные о внутреннем строении Земли, с которыми мы конспективно ознакомились выше, позволяют сравнить нашу планету с вращающимся толстостенным шаром (кора и мантия) с внутренней полостью, заполненной жидкостью (внешнее ядро), в которой плавает сравнительно небольшое также шарообразное твердое субъядро.

В центре этой системы внутреннее ядро удерживается силами ньютоновского тяготения, оно может вращаться иначе, чем мантия. По существующим представлениям, именно благодаря этому эффекту (динамо – механизм) и возникает геомагнитное поле Земли…

Происхождение и возраст Земли

Ниже мы постараемся дать ответы на самые увлекательные, но и необыкновенно трудные вопросы, стоящие перед науками о Земле. Ведь люди никогда не были свидетелями растянувшейся на миллиарды лет геологической истории развития нашей планеты. Человечеству, как это считают современные ученые, немногим больше одного миллиона лет, а поэтому общую картину прошлого, страницу за страницей, приходится создавать мысленно по отдельным разрозненным фактам и данным.

Несмотря на то, что только относительно недавно человечество получило фактический материал, позволяющий строить научно обоснованные гипотезы о происхождении Земли, нужно откровенно сказать, что эта проблема волновала умы философов еще в глубокой древности.

Хотя первые представления о жизни нашей планеты и основывались лишь на эмпирических наблюдениях над природными явлениями, тем не менее в них главенствующую роль занимали скорее фантастические вымыслы, чем объективная реальность. Однако уже тогда, в далекие от нас времена, возникали отдельные идеи и воззрения, которые и сегодня поражают нас своим сходством с нашими представлениями о происхождении Земли.

Так, например, римский философ и поэт Тит Лукреций Кар, известный как автор дидактической поэмы «О природе вещей», считал, что Вселенная бесконечна и в ней существует множество миров, подобных нашему. О том же писал в своих трудах и древнегреческий ученый Гераклит (500 лет до н. э.):

«Мир, единый из всего, не создан никем из богов и никем из людей, а был, есть и будет вечно живым огнем, закономерно воспламеняющимся и закономерно угасающим».

После падения Римской империи для Европы наступила тяжелая пора Средневековья – период господства богословия и схоластики. Этот период затем сменился эпохой Возрождения, во время которого труды Леонардо да Винчи, Николая Коперника, Джордано Бруно, Галилео Галилея подготовили появление прогрессивных космогонических идей. Они были высказаны в разное время Р. Декартом, И. Ньютоном, Н. Стеноном, И. Кантом и П. Лапласом.

Так, в частности, по мнению Р. Декарта, Земля прежде была раскаленным телом, подобно Солнцу. Однако впоследствии она остыла и стала представлять собой потухшее небесное тело, в недрах которого все же сохранился огонь. Раскаленное ядро покрывала плотная оболочка, состоявшая из вещества, подобного веществу солнечных пятен. Выше находилась новая оболочка – из мелких осколков, возникших в результате распада пятен.

Немецкий ученый И. Кант в 1755 году предположил, что вещество, из которого состоит тело нашей Солнечной системы – все планеты и кометы, до начала всех преобразований было разложено на свои первичные элементы и заполняло весь тот объем Вселенной, в котором движутся теперь образовавшиеся из них тела. Эти представления И. Канта о том, что Солнечная система образовалась в результате скопления первичного дисперсного рассеянного вещества, кажутся сегодня удивительно правильными.

Несколько позже, в 1796 году, французский исследователь П. Лаплас высказал сходные идеи о происхождении Земли, ничего не зная о существовании трактата И. Канта. Появившаяся гипотеза о происхождении Земли получила, таким образом, название гипотезы Канта – Лапласа. Согласно этой гипотезе Солнце и движущиеся вокруг него планеты образовались из единой туманности, которая, вращаясь, распадалась на отдельные сгустки вещества – планеты.

Первоначально огненно – жидкая Земля остывала, покрывалась коркой, которая коробилась по мере остывания недр и уменьшения их объема. Нужно сказать, что гипотеза Канта – Лапласа более ста пятидесяти лет преобладала в ряду других космогонических воззрений. Именно исходя из этой гипотезы, геологи объясняли все геологические процессы, протекавшие в недрах нашей планеты и на ее поверхности.

Большое значение для разработки достоверных научных гипотез о происхождении Земли, несомненно, сыграли МЕТЕОРИТЫ – пришельцы из далекого космоса. Дело в том, что метеориты падали на землю всегда. Но далеко не всегда их считали пришельцами из космоса. Один из первых, кто правильно объяснил появление метеоритов, был немецкий физик Э. Хладни, доказавший в 1794 году, что метеориты – это остатки болидов, имеющих неземное происхождение. По его мнению, метеориты являются странствующими в космосе кусками межпланетной материи, возможно, и осколками планет.

Однако подобные мысли в то время разделяли далеко не все, но, изучая каменные и железные метеориты, ученые получали интересные данные, которые использовались в космогонических построениях. Был, например, выяснен химический состав метеоритов – в основном оказалось, что это окислы кремния, магния, железа, алюминия, кальция, натрия. Следовательно, появилась возможность узнать состав других планет, который оказался сродни химическому составу нашей Земли. Удалось определить и абсолютный возраст метеоритов: он находится в пределах 4,2–4,6 миллиардов лет.

В настоящее время к этим данным добавились сведения о химическом составе и возрасте пород Луны, а также атмосфер и пород Венеры и Марса. Эти новые данные показали, в частности, что наш естественный спутник Луна образовался из холодного газопылевого облака и начал «функционировать» 4,5 миллиарда лет тому назад.

Огромная роль в обосновании современной концепции происхождения Земли и Солнечной системы принадлежит советскому ученому, академику О. Ю. Шмидту, который внес значимый вклад в решение этой проблемы.

Так по крупицам, по отдельным разрозненным фактам постепенно складывалась научная основа современных космогонических взглядов… Большинство современных космогонистов находятся на следующих позициях.

Исходным веществом для образования Солнечной системы послужило газопылевое облако, располагавшееся в экваториальной плоскости нашей Галактики. Вещество этого облака находилось в холодном состоянии и содержало в основном летучие компоненты: водород, гелий, азот, пары воды, метан, углерод. Первичное планетное вещество было довольно однородным, а его температура была очень низкой.

Вследствие сил тяготения межзвездные облака начинали сжиматься. Вещество уплотнялось до стадии звезд, одновременно возрастала его внутренняя температура. Движение атомов внутри облака ускорялось, и, сталкиваясь друг с другом, атомы иногда объединялись. Возникали термоядерные реакции, в процессе которых водород превращался в гелий, при этом выделялось огромное количество энергии.

В неистовстве мощных стихий возникло Протосолнце. Рождение его произошло в результате вспышки сверхновой звезды – явления не такого уж редкого. В среднем такая звезда появляется в любой Галактике каждые 350 миллионов лет. При вспышке сверхновой звезды излучается гигантская энергия. Вещество, выброшенное в результате этого термоядерного взрыва, образовало вокруг Протосолнца широкое, постепенно уплотнявшееся газовое плазменное облако. Оно представляло собой своеобразную туманность в виде диска с температурой в несколько миллионов градусов Цельсия. Из этого протопланетного облака в дальнейшем возникли планеты, кометы, астероиды и другие небесные тела Солнечной системы. Образование Протосолнца и протопланетного облака вокруг него произошло, вероятно, около шести миллиардов лет назад.

Минули сотни миллионов лет. Постепенно газообразное вещество протопланетного облака остывало. Из горячего газа конденсировались наиболее тугоплавкие элементы и их окислы. По мере дальнейшего охлаждения, которое продолжалось миллионы лет, в облаке появились пылевидные твердые частицы, и ранее раскаленное газовое облако вновь стало относительно холодным.

Постепенно вокруг молодого Солнца в результате конденсации пылевидного вещества образовался широкий кольцеобразный диск, который в дальнейшем распался на холодные рои твердых частиц и газа. Из внутренних частей газопылевого диска начали образовываться планеты типа Земля, состоящие в основном из тугоплавких элементов, а из периферических частей диска – большие планеты, богатые легкими газами и летучими элементами. В самой же внешней зоне возникло огромное количество комет.

Так приблизительно 5,5 миллиардов лет назад из холодного планетного вещества возникли первые планеты, в том числе и первичная Земля. В это время она была космическим телом, но еще не планетой, у нее не существовали ядро и мантия и не было даже твердых поверхностных участков.

Образование Протоземли было чрезвычайно важной вехой – это было рождение Земли. В то время на Земле не протекали обычные, хорошо нам известные геологические процессы, поэтому этот период эволюции планеты называют догеологическим или астрономическим.

Протоземля представляла собой холодное скопление космического вещества. Под влиянием гравитационного уплотнения, нагревания от беспрерывных ударов космических тел (комет, метеоритов) и выделения тепла радиоактивными элементами поверхность Протоземли стала нагреваться. О величине разогрева среди ученых нет единого мнения. Так, по мнению советского ученого В. Фесенкова, вещество Протоземли нагрелось до 10 ООО °С и вследствие этого перешло в расплавленное состояние. По предположению же других ученых температура едва достигла 1000 "С, а третьи отрицают даже саму возможность расплавления вещества.

Как бы там ни было, но разогрев Протоземли способствовал дифференциации ее материала, которая продолжалась в течение всей последующей геологической истории.

Дифференциация вещества Протоземли привела к концентрации тяжелых элементов во внутренних ее областях, а на поверхности – более легких. Это в свою очередь предопределило дальнейшее разделение на ядро и мантию.

Вначале Земля не имела атмосферы сразу после образования. Это объясняется тем, что газы из протопланетного облака были потеряны на первых стадиях образования, поскольку тогда еще масса Земли не могла удержать легкие газы вблизи своей поверхности.

Образование ядра и мантии, а в дальнейшем и атмосферы завершило первую стадию развития Земли – догеологическую, или астрономическую. Земля стала твердой планетой. С этого момента и начинается ее длительная геологическая эволюция, но это уже тема особого разговора.

Таким образом, 4–5 миллиардов лет назад на земной поверхности господствовали солнечный ветер, жаркие лучи Солнца и космический холод. Поверхность беспрерывно подвергалась бомбардировке космическими телами – от пылинок до астероидов…