Загадки мантии

Если ожесточенные споры ведутся по поводу строения земной коры, то, казалось бы, все, связанное с мантией, должно вызывать еще более острую полемику. Однако мрак глубин пока еще столь непроницаем, что спорить почти не о чем.

Судить о составе и строении глубоких зон Земли приходится, главным образом, на основании геофизических исследойаний. Геофизики изучают прохождение упругих сейсмических волн через внутренние оболочки планеты, исследуют поле силы тяжести, зависящее от расположения масс внутри Земли, магнитное поле, возрастание температуры с глубиной, прохождение естественных и искусственных электрических токов через различные горные породы. Большинство этих методов применимо лишь для земной; коры, но некоторые, а особенно сейсмика, позволяют проникнуть и на большие глубины.

В настоящее время считается установленным, что Земля имеет три основные оболочки, геосферы: земную кору,, промежуточную оболочку, или мантию, и ядро (рис. 8), Радиус ядра составляет около 3500 км. Промежуточная оболочка простирается от границы ядра до основания земной коры. В свою очередь, и ядро и мантия состоят еще из ряда оболочек. Так, например, внутри ядра некоторые исследователи выделяют субъядро с радиусом около 1300 км.

Рис. 8. Схема внутреннего строения Земли и физических условий на разных глубинах (из брошюры Т. С. Лебедева и Д. В. Корнийца)

Резкие изменения скоростей сейсмических волн свидетельствуют о том, что свойства вещества на границах геосфер меняются скачкообразно. Переходя из коры в мантию, сейсмические волны заметно увеличивают свою скорость: продольные - с 6,3 км/сек до 7,8 км/сек, а поперечные - с 3,7 км/сек до 4,3 км/сек. Это явление связано с резким возрастанием плотности вещества на границе коры и мантии. При переходе продольных сейсмических волн из мантии в ядро скорость их резко уменьшается - от 13,6 км/сек до 8 км/сек. Интересно, что до сих пор не удалось обнаружить прохождение через ядро поперечных сейсмических волн. Ядро гасит их. Это одна из многих загадок вещества, слагающего земное ядро.

Изменения скоростей сейсмических волн указывают на скачкообразное увеличение плотности вещества внутри Земли. Средняя плотность земной коры составляет 2,7 грамм/см³; на границе мантии возрастает до 3,3 грамм/см³; внутри мантии увеличивается до 6 грамм/см³, причем улавливается несколько небольших скачков. На границе ядра плотность доходит до 8 грамм/см³, а в центральной области ядра, по-видимому, возрастает до 11 грамм/см³ и даже более.

А каково давление в недрах Земли? Очевидно, оно зависит от расстояния до поверхности. Чем на большей глубине находится вещество недр, тем большее давление вышележащих толщ оно испытывает. Если рассматривать давление как вес столба вышезалегающего вещества, то на глубине 100 км от поверхности оно должно составлять 20 000 атм, то есть 20 т на каждый квадратный сантиметр. На глубине 600 км от земной поверхности давление, вероятно, достигает уже 200 000 атм. Такие и даже несколько большие давления получены в лабораториях; поэтому мы можем предполагать, как должно вести себя вещество в основании земной коры и даже под корой - в верхних слоях мантии. А вот на глубине 3200 км, то есть приблизительно на половине земного радиуса, давление должно достигнуть 1,5 млн. атм - 1500 т на каждый квадратный сантиметр. Такого еще не удавалось получать в лабораториях. В центре Земли давление, по-видимому, превышает 3 млн. атм.

Как может влиять возрастание давления на свойства вещества недр? Лабораторные исследования, проводимые в Советском Союзе и в США, показывают, что при высоких давлениях и нормальной температуре увеличивается плотность, прочность и одновременно пластичность многих веществ, в частности, стали и ее сплавов, силикатных стекол и т. д. Уже удалось получить давления в несколько сот тысяч атмосфер. Недавно были получены давления в 200 000 атм при температуре около 4000° С. Это стало возможно после того как через камеру высокого давления был пропущен ток силой в несколько тысяч ампер. «Просвечивание» рентгеновскими лучами различных веществ под высоким давлением показало, что при достижении определенной величины давления происходит внезапное изменение их структуры. Атомы перестраиваются в новую кристаллическую структуру с более высокой плотностью и большей энергией связи между атомами. В случае повышения температуры эта перестройка может происходить при меньшем давлении.

С увеличением давления разные вещества способны в разной степени сжиматься, то есть уменьшать свой первоначальный объем. Оказалось, что сжимаемость вещества периодически увеличивается и уменьшается по мере изменения числа электронов в атоме. Однако с возрастанием давления разница в сжимаемости различных веществ уменьшается. Видимо, это объясняется тем, что сжимаемость вещества первоначально связана лишь с уменьшением расстояний между атомами, а по мере увеличения давления зависит ужо от «деформаций» самих атомов, точнее от «деформаций» их внешних электронных оболочек. При определенной величине давления наблюдается переход электронов внутри атома с одного уровня на другой. Приближение электронов к атомному ядру ведет за собой резкое скачкообразное увеличение электропроводности вещества. Многие химические элементы, являющиеся в нормальных условиях изоляторами, при высоком давлении приобретают свойства полупроводников, а полупроводники могут переходить в состояние металла. Путем увеличения давления удалось «металлизировать» такие элементы как иод и теллур. Расчеты показывают, что это можно сделать со всеми веществами; по-видимому, при давлениях порядка 2 000 000 атм может быть «металлизирован» даже твердый водород.

Несколько десятилетий назад различие свойств геосфер Земли объясняли разным химическим составом. Сейчас большинство исследователей считает, что состав мантии и ядра мало отличается, но вещество ядра под воздействием огромного внешнего давления находится в «металлизированном» состоянии. Орбиты внешних электронов атомов сильно «деформированы», ядра атомов сближены, и этим объясняется высокая плотность вещества глубоких недр. Уменьшение внешнего давления неминуемо должно повлечь за собой переход «металлизированного» состояния вещества в иное - то, в котором находится вещество мантии. Этот переход должен сопровождаться выделением значительного количества энергии. Может быть, в скачкообразных изменениях структуры вещества на границе мантии и ядра заключается один из источников энергии глубоких недр нашей планеты. Один из многих возможных источников.

После снятия высокого давления вещество либо возвращается к первоначальной кристаллической структуре, либо сохраняет новую структуру с более плотной упаковкой атомов. Примерами таких необратимых превращений может служить переход графита в алмаз, а кварца в более плотную модификацию окиси кремния - стиповерит. Плотность стиповерита на 60% выше, чем плотность обычного кварца.

Необратимое увеличение плотности некоторых веществ за счет высоких давлений обычно влечет за собой появление новых свойств, например, высокой твердости. Это хорошо иллюстрируется переходом мягкого графита в самый твердый из известных минералов - алмаз. Твердость графита по шкале твердости измеряется единицей, твердость алмаза - десятью.

Еще более поразительна перестройка кристаллической структуры нитрида бора. При атмосферном давлении и нормальной температуре это химическое соединение азота и бора представляет собой очень мягкое белое вещество, которое можно использовать для смазки трущихся деталей. Под действием высокого давления и температуры образуются кристаллы нитрида бора, способные сохранять свою новую структуру после нормализации давления и температуры. В этой новой кристаллической структуре нитрида бора атомы азота и бора расположены так же, как атомы углерода в кристаллической решетке алмаза. И твердость кристаллического нитрида бора близка к твердости алмаза, а быть может, и превышает ее.

Для некоторых веществ возвращение к первоначальной структуре после снятия высокого давления зависит от того, с какой скоростью уменьшалось давление.

Американские физики Бриджмен и Симон недавно обнаружили, что силикатные стекла, подвергнутые сверхвысоким давлениям (порядка 100-200 тыс. атм), приобретают остаточное уплотнение в пределах 7-17,5%. Так в результате применения высокого давления из исходного стекла с плотностью 2,22 грамм/см³ было получено силикатное стекло с плотностью 2,62 грамм/см³. Если давление после сжатия понижалось постепенно, повышенная плотность таких «уплотненных» стекол в большинстве случаев не уменьшалась заметным образом даже при длительном хранении в условиях комнатной температуры. Однако резкое понижение давления вызывало похожее на взрыв разрушение «уплотненного» стекла, при котором образец разлетался на мелкие осколки.

Кристаллическое состояние вещества обычно не дает остаточных изменений плотности, за исключением случаев, когда сжатие сопровождается переходом в новую кристаллическую модификацию. После снятия нагрузки кристаллическое вещество приобретает исходную плотность. Стекла же сжимаемы.

Предполагаемый переход кристаллического состояния вещества земной коры в стекловидное состояние подкоро-вого вещества может быть следствием повышения давления. Повышенное давление ведет к уплотнению вещества, а вещество в стекловидном состоянии, по-видимому, способно к значительному уплотнению.

Такое «уплотненное» стекловидное вещество, находящееся непосредственно под земной корой, должно обладать значительным запасом потенциальной энергии. Эта энергия может разрядиться при резком изменении режима давления, подобно тому, как это имело место в опытах Бриджмена и Симона. Взрывное выделение энергии при таких процессах может явиться причиной сейсмических ударов и целого ряда сопутствующих явлений, речь о которых пойдет в следующей главе.

Значит, в изменении свойств вещества на границе земной коры и мантии тоже может быть заключен один из источников энергии глубоких недр Земли.

Теперь расскажем о температуре недр. Общеизвестно, что с углублением в недра Земли температура увеличивается. Однако этот рост неодинаков. Расстояние, с углублением на которое температура повышается на один градус, геологи назвали геотермической ступенью. На Флегрей-ских полях Италии геотермическая ступень местами составляет всего 0,7 м. В других районах она значительно больше. В среднем для континентов она составляет 33 м, а местами увеличивается до 100 м и более. Но всюду с глубиной температура растет.

Что находится в недрах Земли - расплавленная пластичная магма, из которой кристаллизуются изверженные породы, или сверхтвердое вещество? Температуры в тысячи, в десятки тысяч градусов или холод, близкий к абсолютному нулю? Это одна из величайших загадок Земли. Существуют сторонники как одной, так и другой крайних точек зрения.

Если в глубоких недрах планеты бушует вечный огонь ядерных реакций, температура по мере приближения к ядру должна возрастать, и в центральной геосфере она очень велика. А вот академик О. Ю. Шмидт считал, что Земля возникла как сгусток холодных метеоритных частиц. Первоначально она была холодной, ведь температура космической метеоритной пыли близка к абсолютному нулю. Разогрев Земли начался постепенно под влиянием радиоактивного распада. Процесс радиоактивного разогрева продолжается несколько миллиардов лет, но он происходит лишь в наружных оболочках - в нижних слоях земной коры, в верхних горизонтах мантии, где, как считал О. Ю. Шмидт, сосредоточены радиоактивные элементы. По мнению ученого, температура возрастает с углублением в недра лишь в наружной зоне планеты. На глубине около 100 км от поверхности она достигает максимума - 1500-2000° С. Дальше она остается постоянной или даже убывает. А в этом случае в ядре Земли может действительно царить холод космического пространства.

Разумеется, это одна из возможных гипотез. Можно принять ее или не принять. Ведь наблюдать изменения температуры при углублении в землю пока удалось на ничтожно малом отрезке земного радиуса, в пределах длины самой глубокой буровой скважины.

Кроме того, не доказано и существование радиоактивных элементов только в наружных оболочках нашей планеты. Утверждая, что большинство радиоактивных элементов сосредоточено в породах земной коры и верхней части мантии, О. Ю. Шмидт исходил из разного химического состава коры, мантии и ядра. Кору он считал каменной, мантию - каменно-металлическон, а ядро - металлическим - сплавом железа и никеля. Такое расслоение, по мнению О. Ю. Шмидта, возникло в результате «всплывания» более легких частиц, образующих кору, и «погружения» более тяжелых частиц в том метеоритном сгустке, из которого возникла Земля. Ну, а если геосферы Земли имеют близкий химический состав и различия их свойств - результат роста давления с увеличением глубины? Тогда, очевидно, нельзя говорить и о концентрации радиоактивных элементов в наружной геосфере. Проблема первичного состояния недр Земли остается открытой.

Пока ясно одно: в земной коре температура с увеличением глубины возрастает, и на некотором расстоянии от поверхности существуют или время от времени возникают очаги расплавления. Расплавленное вещество коры или мантии извергается на поверхность через жерла вулканов. На поверхности температура жидкой лавы достигает 1000° С. А в вулканическом очаге температура магмы выше, по крайней мере, на несколько сот градусов.

Что может быть глубже зоны, в которой расположены очаги вулканов? Чтобы ответить на этот вопрос, надо выяснить, как меняются свойства веществ при одновременном росте температуры и давления. Изучение свойств различных веществ при высоких температурах и давлениях давно ведется в лабораториях многих стран. Оказывается, при повышении давления температуры плавления различных веществ сначала резко возрастают, потом этот рост замедляется, а после того как давление достигнет некоторой «критической величины», температуры плавления начинают вдруг уменьшаться. При дальнейшем увеличении давления и постоянной температуре вещество может перейти в жидкое состояние.

Кристаллические вещества, а следовательно, и кристаллические горные породы земной коры, с увеличением температуры и давления становятся пластичными, а затем приобретают свойство текучести. При достижении определенной температуры и давления кристаллическое состояние вещества становится неустойчивым и переходит в стекловидное состояние. В стекловидном состоянии вещество приобретает с увеличением давления свойство сжимаемости и большую пластичность и текучесть.

Результаты лабораторных исследований разных веществ позволяют предполагать, что кристаллические породы земной коры на глубине в несколько десятков километров от поверхности в зоне достаточно высоких температур и давлений приобретают свойства пластичности и текучести. На этой глубине осадочные и изверженные породы превращаются в метаморфические, а в участках и зонах, где понижается давление, может наступить их расплавление. Такое расплавление может дать начало отдельным магматическим очагам внутри земной коры. На большей глубине - в основании земной коры - кристаллическое вещество переходит в стекловидное состояние, приобретает большую пластичность. Причем с увеличением давления температура его плавления понижается и может происходить расплавление вещества. Возникают подкоровые очаги магмы.

Итак, мы добрались до тех глубин, на которых зарождается магма - активное вещество земных недр, таинственный расплав, иногда прорывающийся на поверхность, огненная кровь Земли, питающая вулканы. Как же представляет себе современная паука возникновение магмы?