Добро
пожаловать на наш сайт!
ПОЗНАНИЕ
ПРОДОЛЖАЕТСЯ...
15.04.2019 20:16 дата обновления страницы
Мир небесных тел. ЗЕМЛЯ
Дата создания сайта:
08/12/2012
Дата создания
сайта: 08/12/2012 Дата обновления главной страницы:
15.04.2019 20:16
icq:
613603564
Живые недра земли
Что творится в земных глубинах? Заглянем туда,
насколько это возможно. В глубокой пещере темно, прохладно и сыро. Но,
спускаясь дальше, мы заметим, что постепенно становится теплее. Еще
глубже - жара, и шахтеры в глубочайших шахтах едва выдерживают
четырехчасовую смену.
Продолжим наш путь в жаркой тьме мысленно. На глубине 10-15 км сырости
нет и в помине - перегретая, сжатая давлением в тысячи атмосфер вода
здесь активно вступает в химические соединения. А еще глубже? Глубже
кончается тьма. Недра на глубине в десятки километров светятся, сначала
темно-вишневым, затем оранжевым, желтым, все более ярким светом.
Даже горным породам такая жара нестерпима - вот-вот они расплавятся, еще
бы немного поднялась температура! И температура повышается, но еще более
мощно давление тех слоев, что лежат выше. Две силы борются, и где-то на
глубине около ста километров кажется, что побеждает температура. Весь
слой от 100 до 200-250 км глубиной размягчен, местами даже выплавляются
капельки магмы. Но нет! В конечном счете верх берет давление, рост
температуры не поспевает за точкой плавления, которая в связи с
увеличением давления растет быстрее. Породы поэтому остаются твердыми, и
дальше идут сотни километров добела раскаленного, сжатого до миллиона
атмосфер сплошного камня. Это - мантия Земли.
На первый взгляд вещество мантии неподвижно. Но если бы мы могли в
жаронепроницаемых камерах забраться в эту глубину, мы обнаружили бы еле
заметное, но непрестанное движение. Не более нескольких сантиметров в
год - такова его скорость. Инерция тяжелых горных масс и, главное,
огромная их вязкость не позволяют веществу мантии двигаться быстрее.
Даже на образование больших завихрений в атмосфере - циклонов уходят
долгие часы и сутки. Инерция и вязкость воздушных масс не позволяют
состоянию атмосферы - тому, что мы называем погодой, - меняться очень
быстро. Что же тогда говорить о тяжких каменных слоях! Не удивительно
поэтому, что подземная "погода" устанавливается за многие миллионы,
десятки миллионов лет.
Видимый нами рельеф земной поверхности - это как бы мгновенная
фотография погоды недр: горные районы - это участки ураганов и бурь,
спокойные пространства континентальных равнин и океанического дна - это
места, где царит тектонический штиль.
В чудовищно долгом масштабе геологического времени наука о развитии
земных недр - тектоника только начинает делать "повторные снимки". У нас
нет длинного ряда предыдущих "снимков". Поэтому нам так трудно судить, в
какую сторону идет развитие Земли. Чем отличается "штиль"
континентальной равнины от "штиля" океанического дна? Где затишье перед
бурей, а где уже успокоение? Споры об этом не утихают. Ведь от знания
того, как развивается наружный слой Земли, зависит решение многих
насущных проблем, среди которых и прогноз землетрясений, и разведка
глубинных месторождений полезных ископаемых, и использование подземного
тепла, и многое другое.
Сейчас в науке о твердой Земле настало время больших надежд. Еще совсем
недавно Земля представлялась ученым в виде шарика в пространстве,
достаточно точно измеренного и взвешенного, довольно хорошо была
известна его форма. Наблюдения за особенностями его вращения и волны от
землетрясений позволили мысленно проникнуть в его недра и нарисовать его
разрез, украшающий многие популярные издания. Казалось, оставалось
немногое - уточнить распределение температуры и плотности вещества
внутри шара, понять природу ядра...
И не всегда приходила в голову мысль, что в нашей очень большой, очень
сложной и удивительной планете идут глубокие, скрытые от прямого
наблюдения процессы, в результате которых климат Хибин может оказаться
зависимым от изменения глубины морского дна у Фарерских островов, шторм
в Атлантике может вызвать микроколебания почвы в Москве, а нарушения в
кольцевых электрических токах в земном ядре, может быть, как раз и
привели (десятки миллионов лет назад) к вымиранию динозавров.
Лишь геологи-тектонисты да немногие геофизики пытались вот так взглянуть
на
Землю, создать единую теорию, связывающую общие закономерности строения
и развития Земли и конкретные, живые и замётные процессы в разных частях
вблизи ее поверхности. Недостаток был и в другом: не хватало фактов -
однородных, сопоставимых, собранных в одно время и по согласованной
методике. В таких фактах нуждалась вся геофизика, однако представителям
наук, изучающих атмосферу, магнитосферу, океаны и ледники, было легче:
согласовав свои действия, они получили возможность изучать "свои"
оболочки в движении, в развитии. И поэтому 900-дневное сотрудник чество
ученых, известное как Международный геофизический год (МГГ - 1957-1959).
принесло успех прежде всего этим наукам. Но мощь соединенных усилий так
велика, что даже недра Земли не в силах противостоять ей. Успех МГГ
окрылил представителей науки о твердой Земле, и уже в 1960 по
предложению советских ученых начался новый международный научный проект,
получивший название "Верхняя мантия и ее влияние на развитие земной
коры". В проекте верхней мантии сочетаются усилия ученых многих стран,
совместно применяются разнообразные методы исследования - геологические,
геофизические, геохимические и геодезические. Техника второй половины XX
в. - искусственные спутники Земли и бурение сверхглубоких скважин -
вносит свой вклад в изучение пока еще недоступных глубоких недр Земли.
Прошло несколько лет. На первый взгляд может показаться, что никаких
сенсаций не было. В Земле не открыты новые слои, не обнаружены новые
источники энергии... И все же сейчас мы смотрим на недра Земли совсем не
так, как десять лет назад. Что же произошло за эти годы?
Земную кору на материках и в океанах прорезали десятки тысяч километров
профилей глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ). Оказалось, что
кора устроена очень сложно. Тридцатикилометровый слой ее спокойно
залегает лишь на равнинах континентов. Здесь кора, как правило, состоит
из трех слоев: под слоем осадочных пород (песок, суглинки, галечники,
песчаники, мергели) толщиной от нескольких метров до нескольких
километров залегают породы типа гранитов. Толщина этого слоя в среднем
12 15 км. Ниже лежит слой немного большей мощности, условно называемый
базальтовым. Состав его точно пока не известен.
Под горными хребтами земная кора становится толще: глубоко в мантию
вдаются "корни гор". В районах больших горных массивов толщина коры
может достигать 50- 60 км, однако ее строение в основных чертах не
меняется. Все это - кора континентального типа.
На больших пространствах океанов кора совсем другая. Под слоем воды
залегает тонкий слой осадков, а глубже сразу идет базальтовый слой
(здесь он состоит уже из "настоящего" базальта) толщиной 5-10 км. Это -
кора океанического типа.
У берегов Атлантического океана океаническая кора сменяет
континентальную спокойно и незаметно: сходит на нет, выклинивается
гранитный слой, утончается и немного видоизменяется "базальтовый".
Продолжая наше сравнение с погодой, можно сказать, что толстый слой туч
перешел в почти безоблачное небо тихо и спокойно.
Совсем не то у берегов Тихого океана. Здесь океаническую кору отделяет
от континентальной "грозовой фронт" тектонических процессов. В узкой
полосе, окаймляющей океан, все протекает бурно и сложно. Сверкают
огненные извержения вулканов. На других участках гранитной зоны
содрогаются многокилометровые пласты пород и, сдвинувшись по разломам,
порождают на поверхности Земли сильнейшие землетрясения. На окраинах
Тихого океана выделяется 90% всей суммарной энергии землетрясений. И тип
строения земной коры здесь тоже особый - переходный, с большими
перепадами глубин, пронизанный разломами, почти без гранитного слоя, но
с глубокими корнями "базальта".
Если в Тихом океане наиболее подвижная зона огибает океан точно по его
краям, то в Атлантическом наоборот: там почти точно по оси океана
тянется срединный хребет - может быть, самое интересное тектоническое
образование на Земле. Земная кора здесь тоже переходного типа. Но если
на окраинах Тихого океана действуют перпендикулярные к его краям
горизонтальные силы сжатия, то здесь земная кора находится в состоянии
растяжения. Вдоль всей оси хребта тянутся вертикальные разломы, а
просевшие между ними участки образовали узкую и длинную долину - рифт.
Рифтовые зоны протянулись на десятки тысяч километров по срединным
хребтам Атлантического, Индийского и частично Тихого океана. Местами они
выходят
Причина землетрясений везде одна - почти мгновенный сдвиг горных
пород по обе стороны возникшей трещины, разлома. Но силы, образующие
разломы, различны в разных областях Земли: на окраинах Тихого океана
господствуют почти горизонтальные силы сжатия, землетрясения в
Срединно-Атлантическом хребте вызываются силами растяжения.
на сушу. Цепь Великих африканских озер и лежащие между ними долины - это
тоже рифтовая зона. Красное море и Байкал - это тоже участки
континентальных рифтовых зон.
* * *
Теперь уже несомненно, что земная кора не может развиваться сама по
себе. Если бы подстилающая ее мантия была спокойна, инертна, то запаса
энергии в коре хватило бы не больше чем на десяток тысяч лет. Но
процессы горообразования длятся десятки миллионов лет. Поэтому мы делаем
вывод, что источник их энергии может находиться только в мантии. И еще:
почему горные системы, островные дуги, рифтовые зоны такие длинные?
Очевидно, существует какая-то общая причина, заставляющая далекие
(сотни, даже тысячи километров!) части одной системы развиваться
одновременно и одинаково. И конечно, эта причина может находиться только
в мантии. Не будь ее, рельеф земной поверхности был бы дробнопятнистым,
а карты горных хребтов напоминали бы шкуру леопарда.
А как исследовать мантию на глубинах, куда не проникают волны ГСЗ?
Испытанное орудие - волны землетрясений. Но точность здесь невелика -
ведь мы заранее не знаем ни точного места, ни точного времени
возникновения землетрясений. Прямые наблюдения времени прихода
сейсмических волн в разные точки земной поверхности годятся лишь для
грубых заключений. Но можно использовать, например, вызванные
землетрясением колебания земной поверхности - поверхностные волны. Чем
больше длина этих волн, тем более глубокие слои участвуют в процессе их
распространения вдоль поверхности Земли. А если с глубиной скорость
распространения волн растет, то это сказывается и на поверхностных
волнах: более длинные волны распространяются быстрее, и это явление -
оно называется дисперсией поверхностных волн - легко заметить на
сейсмограммах.
Успехи научного приборостроения дали нам возможность регистрировать
поверхностные волны с периодами в сотни секунд. При скорости около 4
км/сек соответствующая длина волны равна тысяче с лишним километров.
Примерно до таких глубин земные слои участвуют в движении этих волн - и,
значит, до глубины в тысячу километров свойства недр сказываются на
движении сверхдлинных поверхностных волн.
Обычные поверхностные волны с периодами в 20-30 сек отражают строение
слоев глубиной в десятки километров - не удивительно, что свойства волн,
распространяющихся по океанам и по континентам, различны. Но
оказывается, что и сверхдлинные поверхностные волны, распространяющиеся
через океан и через континенты, неодинаковы по своим характеристикам.
Различия между "океаническими" и "континентальными" волнами сохраняются
на периодах в 100 и больше секунд. Это может означать одно - под
океанами и континентами на глубине в сотни километров мантия не
одинакова!
Подтверждение этому пришло из космоса: все более точные измерения орбит
спутников показали, что на разных траекториях
сила земного притяжения немного изменяется. Существует интересная
закономерность: чем выше летит спутник, тем более глубокие слои планеты
оказывают влияние на его движение. Вот так и установили, что верхняя
мантия неоднородна - в ней на одной и той же глубине чередуются области
с меньшей и большей плотностью.
Если в мантии есть неоднородности, следовательно, там действуют какие-то
силы и существует движение вещества. И доказательство тому - сильнейшие
землетрясения, которые возникают на глубинах до 750 км. Правда, они
случаются в немногих местах - все под той же окраиной Тихого океана, да
еще в нескольких зонах Евразии: под Гиндукушем, под Карпатами, под
Сицилией (их существование здесь еще не объяснено), и уже совсем
загадочное одиночное землетрясение на глубине 640 км в марте 1954 г.
зафиксировано под Гибралтарским проливом.
Спор идет сейчас о том, каков характер движения вещества мантии. Одни
считают, что основной вид движения - это вертикальные перемещения, когда
в результате химико-физических реакций первичное вещество разделяется на
более плотные и менее плотные сгустки. Первые медленно тонут, вторые
столь же медленно всплывают. Эти перемещения длятся десятки миллионов
лет и отражаются в земной коре сложными процессами горообразования.
Другие ученые разрабатывают идею о том, что вся мантия захвачена
медленными вихрями мощных течений. Там, где подымающееся из недр течение
расползается под корой в стороны, существует растяжение, "растаскивание"
участков коры. В других местах, где сталкивающиеся медленные валы
раскаленного, одновременно и твердого и пластичного вещества уходят
вглубь, они создают в коре зоны сжатия.
А что мы знаем о ядре? Долго велись споры: твердое оно или жидкое?
железное или каменное? Ныне вопрос решен. Оно жидкое, хотя это очень
вязкая, очень сильно сжатая и нагретая жидкость.
Одно из решающих доказательств жидкого состояния ядра было получено
неожиданно. Изучая записи сильнейших землетрясений последних лет -
Чилийского 1960 г., Аляскинского 1964 г. и других, сейсмологи заметили
на записях приборов колебания необычайно длинного периода - в десятки
минут. Эти колебания уже не могли быть поверхностными волнами.
Оказалось, что толчок недр был так силен, что вся Земля вздрогнула и
заколебалась как единое целое. Она деформировалась, как колокол, она
даже закручивалась полушариями в разные стороны! Зная упругие свойства
Земли, можно
При очень сильном землетрясении отмечены собственные колебания
Земли. От удара сдвинувшихся недр половинки земного шара закручиваются
навстречу друг другу. Если бы Земля имела твердое ядро, период колебаний
был бы около 32 минут. На самом деле он равен 44 минутам, что
соответствует жидкому ядру. Наблюдаются и другие виды собственных
колебаний Земли - попеременное поперечное сплющивание и раздувание.
Относительное смещение частиц при таких колебаниях не больше 1 мм.
рассчитать период этих колебаний. Периоды, рассчитанные для целиком
твердой Земли, не подошли, а для Земли с жидким ядром дали совпадения с
наблюдениями.
О составе ядра мы пока ничего не знаем. Общепринятая двадцать лет назад
гипотеза железного ядра пошатнулась было, когда В. Н. Лодочников и У.
Рамзай предположили, что ядро сложено тем же веществом, что и мантия, но
только у атомов вещества давлением в полтора миллиона атмосфер
раздавлены внешние электронные оболочки, электроны сорваны со своих мест
и в связи с этим вещество как бы металлизировано. Это была эффектная
гипотеза, и она начала завоевывать сторонников. За нее говорило и
изучение термической истории Земли: Земля никогда не была полностью
расплавленной. И железо не могло собраться в ядре.
Оставалось проверить это опытом. Как создать, хотя бы на секунду,
давление в 2 млн. атм? Пока это невозможно. Но что невозможно на
секунду, можно... на тысячную долю секунды. Взрывная волна на ничтожный
миг сжала вещество с небывалой силой, а приборы успели записать
электропроводность. Увы! Металлизация не наступила. Но, может быть, для
этого нужно время?
Ждут решения и многие другие загадки земных недр. До сих пор Земля была
уникальным, единственным во Вселенной объектом всестороннего
исследования. Теперь уже не то. Возьмем к примеру вопрос о магнитном
поле Земли. Это поле вызывается системой кольцевых токов в
электропроводящем ядре. Значит, если- у планеты есть ядро, должно быть и
магнитное поле? Посмотрим:
Земля
Марс
Луна
Венера
Жидкое ядро
Есть
Нет
Нет
Есть
Магнитное поле
Есть
Нет
Нет
Нет
Выходит, мы что-то недоучли. Может быть, кольцевые
токи связаны с вращением планеты?
Земля
Марс
Луна
Венера
Жидкое ядро
Есть
Нет
Нет
Есть
Скорость вращения вокруг оси
Большая
Большая
Очень малая
Очень малая
Магнитное поле
Есть
Нет
Нет
Нет
Что можно сказать теперь? Сделав вывод, вы, читатель,
сделаете первый свой шаг в новой, создающейся на наших глазах науке -
сравнительной планетофизике.
Земля в разрезе. Чтобы изобразить на одном рисунке, как устроены верхние
слои Земли и как меняются с глубиной плотность ее вещества, сила
тяжести, температура и давление, художнику пришлось исказить масштабы.
На самом деле ядро и нижняя мантия Земли протягиваются по радиусу на 85%
его длины, занимают 67% объема всей планеты и составляют 77% всей ее
массы. Это наиболее однородные части Земли: здесь свойства вещества
зависят только от глубины. Начиная с 800-1000 км и далее к поверхности,
в верхней мантии, на одной и той же глубине в разных частях Земли, под
океанами и под континентами, появляются различия в плотности и
температуре вещества.
Очень медленные процессы в верхней мантии приводят к резким различиям в
строении. В наиболее активных зонах местами возникают очаги
расплавленной магмы, которая мало-помалу пробивает себе путь наверх. По
соседству, в зонах наибольших напряжений, возникают очаги глубоких
землетрясений. Еще заметнее неоднородности в самом верхнем слое твердой
Земли - земной коре. На континентах кора толстая, под океанами - тонкая.
Землетрясения с очагами в земной коре происходят и на континентах - в
активных горных районах, и в океанах - там, где их срединные части
прорезают океанические хребты. По оси таких хребтов расположены
продольные рифтовые долины - результат растягивающего действия
тектонических сил. В спокойной переходной зоне от океана к континенту
(справа) вулканов нет, землетрясения очень редки. А в активных
переходных зонах (слева) сосредоточены наиболее бурные процессы,
преобразующие поверхность нашей планеты. Здесь выделяется около 90%
*всей сейсмической энергии Земли.
Н.В. Шебалин
Размещение фотографий и
цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при
условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.
