Анатомия земного шара какой она представляется сегодня

В наше время создается новая картина недр Земли. Еще не так давно, в начале XX века, считалось, что планета построена из жестких, застывших оболочек. Сегодняшние знания говорят о том, что внутри земного шара гигантские массы находятся в непрерывном движении. На тысячи километров вздымаются и опускаются потоки магмы, циркулирующей между ядром и земной корой. Они ищут щели в коре, чтобы прорваться наверх, они же опускают до самого ядра обломки океанической коры, когда их затолкнут вглубь движущиеся континенты. В последние годы проведены многие эксперименты, которые пополнили эту картину. Но она все же еще не завершена.

КРОШКИ ОТ КОНТИНЕНТОВ

Сверхглубокая скважина в Оберфальце (Германия) была пробурена на глубину в девять километров. Там пришлось остановиться, поскольку бур не смог резать породу при 300 градусах Цельсия. До центра Земли осталось еще 6362 километра. В нашей стране на Кольском полуострове пробурена скважина на 12 с лишним километров. На этой глубине зафиксирована температура 180 градусов Цельсия. Для планеты такие скважины — не более чем комариный укус, но ученые-геологи все же сумели — в частности, и с помощью этих скважин — лучше разглядеть, понять, что происходит внутри того шара, на котором живет человечество.

В шестидесятых годах в геологии совершилась своеобразная революция. Утвердившаяся в это время гипотеза (ставшая потом теорией) — Новая глобальная тектоника или тектоника литосферных плит— перевернула картину мира. Коренным образом изменила представление о внутренних слоях Земли, которые раньше считали застывшими, почти не изменяющимися.

Глобальная тектоника, опираясь на новые факты, полученные геологией и геофизикой, утверждает, что литосфера — наружная твердая земная оболочка — состоит из небольшого числа отдельных плит. Эти плиты, подобно гигантским плотам, скользят по вязкой каше из полурасплавленных горных пород — по астеносфере.

За миллионы лет такого плавания тектонические плиты проделали путь в тысячи километров и примерно пять раз кардинально меняли географию поверхности Земли, образовывая новые материки. Плиты, перемещаясь, сталкиваются друг с другом. Странствуют они неторопливо — их перемещения составляют единицы сантиметров в год. В нашу эпоху наибольшую скорость развивает южноамериканская плита, ее юго-западный край движется со скоростью 16 сантиметров в год.

Границы плит — это зоны самой высокой тектонической, сейсмической и вулканической активности. Здесь плиты, скользя по астеносфере, царапают одна другую, надвигаются друг на друга, иногда ломаются, и тогда дрожит вся Земля. Например, так происходит у трещины Сан-Андреас в Калифорнии. Разлом, который там образовался, выходит даже на поверхность. На стыке плит, в местах, называемых зонами субдукции, океанические плиты подныривают под материковые, и тогда получается что-то вроде каменного «бутерброда». Бывшее океанское дно исчезает в глубинах Земли. При этом происходят мощные землетрясения.

Мощными движениями магмы земная кора раздроблена на несколько крупных и множество мелких плит и блоков.

Мощными движениями магмы земная кора раздроблена на несколько крупных и множество мелких плит и блоков.

На дне Мирового океана, вдоль границ между плитами, протянулась рифтовая зона. Ее общая длина около 60 тысяч километров. Это цепи горных хребтов (их называют срединноокеаническими), а между ними рифт — щель, разлом.

В рифтовых зонах океанов плиты раздвигаются, и раздвиг заполняется базальтовой магмой, поднимающейся из астеносферы. Образующаяся здесь молодая океаническая кора толкает плиты. Конвекционные течения в астеносфере увлекают их в стороны от оси срединных хребтов. А у окраин материковых плит другой конец океанической плиты погружается под кору материковую.

Примерно так плитотектоника объясняет перемещение литосферных плит.

Однако до недавнего времени она не могла объяснить ряд геологических фактов. Например, такой: в восточных Альпах геологи нашли массив, чужеродный окружающим его горам. Но у этого «чужака» оказались геологические родственники в Северной Африке. История удивительного странствования небольшого обломка земной коры, попавшего в Альпы, началась, видимо, 500 или 600 миллионов лет назад. Африка тогда входила в состав огромного Южного континента — Гондваны. Часть Гондваны близ того места, которое потом стало северным побережьем Африки, откололась от континента, образовалась малая плита, она пересекла океан Тетис, шириной в 6000 километров, и примерно 340 миллионов лет назад причалила к материку Лавразия — предку сегодняшней Евразии.

Вот другой любопытный пример: в канадско-арктическом архипелаге, на самом севере его, есть остров Элсмир. Туда отправилась Эва Клапер — норвежский геолог—для сбора материалов к своей диссертации. Она искала доказательства существования так называемых микроконтинентов, и нашла. На северном конце острова она обнаружила сравнительно небольшой скалистый участок, геология которого совершенно не схожа с окружающими его скалами. Геологическим «родственником» этого участка оказалась удален-ная от него на 1400 километров западная часть Шпицбергена! По расчетам Э. Клапер и канадских геологов, осколок Шпицбергена «пристал» к острову Элсмира около 420 миллионов лет назад.

Примеров странствования отколовшихся от континентов кусков немало. Поэтому раньше, когда сторонники тектоники литосферных плит говорили только о перемещении огромных плит с материками, то у их противников были серьезные козыри в руках. Примеры, доказавшие возможность путешествий микроконтинентов, обесценили эти козыри.

Германский профессор Айсбахер резюмировал новый шаг теории такими словами: «То, что маленькие фрагменты откалываются от больших плит, отходят от них, присоединяются к другим плитам, растут и дробятся снова, — все это дает континентальной геологии пространство для вариаций, которого при рождении плитотектоники мы не имели».

ЧТО НАМ ИЗВЕСТНО СЕГОДНЯ

Приводом «машины», передвигающей земную кору, составленную из плит, служат конвекционные потоки. Они циркулируют внутри земного шара и образуют замкнутые системы. Нагреваясь у ядра Земли, потоки идут наверх, там остывают и снова возвращаются к ядру.

 

Какие пути выбирают горячие потоки магмы внутри Земли и как выглядят конвекционные системы, мы можем только предполагать. Но надо помнить, что познание глубоких земных недр началось лишь совсем недавно. И все данные о глубинах нашей планеты получены за счет косвенных (главным образом геофизических) методов исследования. Земля представилась одетой в шаровидные скорлупы, подобно гигантской луковице. Понять это помогли сейсмические методы исследования. На границах «скорлупок» волны землетрясений меняют свое направление, отражаются, дробятся, тормозятся или вовсе глохнут. Результаты анализа сейсмических исследований таковы: планета состоит из коры, мантии и ядра.

Земная кора (вместе с самым верхним твердым слоем мантии, ее называют литосферой) — это первая оболочка Земли — каменная, твердая, хрупкая. Литосфера состоит из тектонических подвижных плит. Их толщина под дном океанов всего 5—10 километров, под континентами — 35—40, до 70 километров. По мнению ряда ученых, материки местами уходят вглубь на 250 километров.

Следующий слой — мантия (она доходит до глубины в 2900 километров) — вызывает особенный интерес ученых. Причина в том, что динамика мантии предопределяет многие явления на поверхности планеты.

Мантия состоит из относительно прочной каменной породы. Несмотря на царящую там очень высокую температуру (см. графики на цветной вкладке), она не расплавлена, потому что большое давление на глубине препятствует этому. Но тепло делает свое дело: мантия приобретает пластичность, вязкость и в этом походит на пластилин.

Конвекционные, то есть тепловые, потоки в мантии циркулируют чрезвычайно медленно— несколько сантиметров в год, а в нижней мантии еще медленнее — там скорость перемещения вещества измеряется миллиметрами в год. Многие сотни миллионов лет пройдут, прежде чем циркулирующая масса совершит полный оборот.

Земное ядро — это как бы два вложенных друг в друга ядра — наружное и внутреннее. В наружном динамика более энергична. Жидкий металл, из которого оно состоит, находится в постоянном движении. Внутреннее ядро представляет собой твердый железный шар. В последнее время появилось предположение, что это один гигантский кристалл железа. К такому выводу пришли американские геофизики Р. Кохе и Л. Штихруде, изучая характер распространения сейсмических волн внутри земного шара. Если эти волны бегут в экваториальной плоскости, с востока на запад или наоборот, то затрачивают на этот путь (конечно, с учетом сплюснутости Земли) на 4 секунды больше, нежели волны, пересекающие Землю от полюса Южного до Северного. Эту особенность можно объяснить кристаллической структурой твердого ядра, характерной для железа.

Мантия и ядро (судя по ходу сейсмических волн) различаются так резко, что правомочно сравнение с переходом от твердой земной коры к газообразной атмосфере. И это потому, что здесь сталкиваются твердое вещество мантии и жидкое железо. Температура на границе этих двух сред неожиданно подскакивает сразу на тысячи градусов вверх. Электрический проводник—железо — циркулирует во внешнем ядре так энергично, что, подобно гигантскому динамо, рождает магнитное поле. Оно выходит даже эа пределы земного шара и в космосе способно отклонять от Земли заряженные частицы, летящие от Солнца.

На поверхности Земли магнитное поле помогает навигаторам, а также птицам находить путь на юг, на север. С магнитным полем Земли связаны яркие красочные сияния в небе полярных областей. Профессор В. Хааг так определил значение магнитного поля: «Это единственный способ коснуться далекого от нас ядра Земли ». Ученый предлагает запустить долговременный спутник, снабженный сверхчувствительной аппаратурой, который следил бы за поведением земного магнитного поля. По его изменениям мы сможем судить о том, что происходит во внешней части ядра планеты.

НИЧТОЖНЫЕ СИГНАЛЫ ГИГАНТСКИХ СИЛ

Идея Хаага типична для современной геологии: на поверхности Земли следить за явлениями, которые разыгрываются в глубинах земного шара. Для этого теперь служат точнейшие приборы и мощные компьютеры, способные обрабатывать потоки данных, добываемых приборами.

Особо обильные трофеи приносит недавно принятый геологами на вооружение метод томографии. Известно, что его охотно используют в медицине. Он позволил с помощью рентгеновского просвечивания получать послойные снимки внутренних органов человека. Если сделать много снимков подряд, то при их совмещении рентгенограмма даст стереоскопическое изображение какого-то органа. Это помогает определить пораженное болезнью место.

Для томографии земных недр служат не рентгеновские лучи, а колебания, вызываемые природными землетрясениями, которые происходят на Земле почти беспрерывно. Большие вычислительные машины обрабатывают результаты записей, сделанных сейсмографами, совмещают картинки, и ученые видят трехмерное изображение внутренности земного шара (см. рисунок ).

Существенные успехи получены в лабораториях высокого давления. Там могут мелкие, как пылинки, кристаллы алмазов подвергнуть давлению до 4 миллионов атмосфер и с помощью лазерных лучей нагреть на многие тысячи градусов. Словом, воспроизводят условия, царящие в мантии. Рентгеновский анализ позволяет узнать, что при этом происходит с кристаллической структурой минерала. Эти опыты помогли воспроизвести физическую картину жизни мантии.

О мантии в науке идет много споров. Как она построена? В ней две, лежащие друг на друге конвекционные системы или одна, в которой раскаленные породы циркулируют от нижней границы земной коры до верхней части ядра? Сторонники обеих гипотез предъявляют свои доказательства.

Те, кто придерживаются «двойной» циркуляции, ссылаются на данные сейсмологии. А она вроде бы показывает, что обломки океанических плит, погружающиеся вниз, на глубине 670 километров — это граница между верхней и нижней мантией — принимают горизонтальное положение, словно наталкиваются на непреодолимую стену.

Этот «тупик» давно известен геологам — уровень, на котором скачком изменяется скорость распространения сейсмических волн. Такое же наблюдается и на границе мантия— ядро, на глубине 2900 километров.

Лабораторные опыты с высоким давлением, как мы уже говорили, показывают, что условия в недрах заставляют определенные минералы менять свою кристаллическую решетку. Она становится более плотной. Эта перестройка происходит скачком. Приверженцы гипотезы о «двухэтажной» конвекции считают, что такой фазовый скачок мешает переносу вещества из верхней мантии в нижнюю.

Но все эти представления отступают перед новыми фактами, добытыми геохимией и компьютерными расчетами. Они утверждают единую циркуляцию в мантии.

Профессор У. Кристенсен из геттингенского университета доказал с помощью компьютерной модели, что погружение в магму относительно холодных обломков литосферы и в самом деле вначале тормозится и вовсе останавливается. Но со временем, когда погруженного вещества накапливается достаточно много и оно нагревается, происходит прорыв этого барьера и обломки устремляются к ядру Земли. Там они могут пролежать сотни миллионов и даже миллиарды лет.

ВСПЛЫВАЮЩИЕ ОСТРОВА

На границе жидкого ядра — на глубине 2900 километров — сейсмологи открыли слой толщиной от 200 до 400 километров, который назвали Д". Слой этот обнаруживается в одних местах внутреннего ядра, а в других — полностью отсутствует. Профессор Кристенсен предполагает, что конвекционные потоки захватывают в своем движении наверх материал этого слоя Д". И именно этот материал становится потом островами... в океанах. Разогретая около ядра порода медленно поднимается — сотни миллионов лет. А когда приближается к литосфере, то буквально прожигает ее, как на заводе разрезают стальные листы газовой горелкой. Материал из слоя Д" всплывает на поверхность планеты, образует острова с действующими вулканами. Таковы, например, Гаваи. Они извергают чрезвычайно горячую магму из больших глубин.

Химический анализ подтверждает эти представления. Он показывает, что магма, выбрасываемая действующими вулканами, долгое время находилась на больших глубинах. Ученые предполагают, что этот материал один или два миллиарда лет назад принадлежал океанской коре, затем нырнул до самого ядра Земли, а теперь снова всплыл. Конечно, эта гипотеза, чтобы стать надежным научным фактом, еще нуждается в дополнительных доказательствах.

Некоторые геологи считают слой Д" гигантским котлом, где происходит химико-физическая реакция между жидким металлом и раскаленной породой из мантии. Другие полагают, что материал слоя Д" всплывает потому, что в него включается значительно более горячая порода из жидкого ядра. Подобно нагретому газу в воздушном шаре эта порода увлекает материал вверх. Столкнувшись с корой, он вспучивает ее, прорывает и становится действующим вулканом или лакколитом, в случае, если прорыв не до конца удался. Но это все предположения.

ПОРА ЛИ ОБНОВЛЯТЬ НОВЕЙШУЮ ТЕОРИЮ?

Чем глубже ученые заглядывают в недра Земли, тем туманнее картина. Надежнее всего выводы, относящиеся к коре под океанами. Океаническая кора находится в непрерывном движении. Возраст самых «старых» участков дна океана не превышает 200 миллионов лет, следовательно, если Земле 4,5 миллиарда лет, океанское дно много раз обновлялось.

Материковая кора, казалось бы, более доступная для исследований, чем океаническая, выдает свои тайны труднее и еще полна неразгаданных проблем.

Какие механизмы действуют на плиты, несущие сушу? Действительно ли литосфера скользит по астеносфере, как об этом еще недавно с уверенностью говорили сторонники глобальной тектоники?

Некоторые геологи считают, что теория плитотектоники, когда речь идет о суше, должна быть существенно скорректирована. До сих пор остается тайной, какова толщина континентальных плит, поскольку нижнюю их поверхность точно определить еще никому не удалось. Предположения высказываются разные и противоречивые.

Сейсмолог Кинд, например, не исключает того, что «корни» некоторых континентов достигают глубины 700 километров. Мысль еретическая, поскольку она не укладывается в недавно торжественно признанную теорию плитотектоники. Вот выводы, к которым пришел Кинд: Тихий и Индийский океаны, а также Африка лежат на тонкой литосфере. Евроазиатский и Североамериканский материки имеют глубоко сидящие «корни», они уходят до отметки 670 километров от поверхности суши. Кинд опирается на сейсмические измерения, но ведь они, к сожалению, не всегда однозначны.

Потсдамский исследователь Хаак оперирует другими числами, полученными при бурении на 8 километров. Но его выводы еще меньше отвечают данным плитотектоники. По предположениям Хаака, в центре Европы кора имеет толщину всего 10—15 километров.

Сверхглубокая скважина, пробуренная у нас на Кольском полуострове, была первой, которая пересекла границу, отделяющую слой протерозоя от самых древних слоев — архея. На своем пути буровая колонна так же, как и на немецкой, Потсдамской, скважине, встречала пустоты — каверны, воды и газы. Было замечено, что с глубиной растет содержание водорода и гелия и падает доля углеводородных газов. Примечательно и то, что в тепловом потоке, идущем из недр, примерно половина его обязана своим происхождением распаду радиоактивных элементов. Правда, опыт бурения в других местах и на меньшие глубины говорит, что тепло радиоактивного распада там существенно меньше.

Сейчас бурение на Кольском полуострове закончено. Добытый исследователями материал сведен в толстый том «Кольская сверхглубокая» и еще изучается.

Но ведь бурение приносит сведения лишь о самых верхних слоях земной коры. Что же касается анатомического разреза всей планеты, то тут остается только согласиться с профессором Кристенсеном, который говорит: «Несмотря на последние успехи геологии, мы смотрим вниз, словно через молочное стекло».

Оставить комментарий

Ваш email не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *

Вы можете использовать это HTMLтеги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>