Реферат на тему:
Внутрішня будова Землі
Створення моделі внутрішньої будови Землі - одне з найбільших досягнень науки XX століття. Звичайно, створювалися моделі і раніше. Але вони грунтувалися на припущеннях і на порівняно невеликій кількості достовірних фактів. Більше було припущень. Не можна сказати, щоб сьогодні всі в будові Землі було б ученим ясно і зрозуміло. Надра таять величезний запас загадок. Але в принципі, я думаю, можна сказати, що сучасна модель вже навряд чи коли-небудь істотно зміниться так, як змінювалися моделі минулих, наприклад, століть.
А як же вдалося побудувати її вченим? Може бути, люди прорили шахту до центру землі і досліджували кожен метр глибини? Таку роботу не те що проробити - уявити собі неможливо. Нам би ще багато років довелося гадати про будову надр, якщо б до середини минулого століття не намітився новий підхід до проблеми.
Вчені почали розглядати Землю як фізичне тіло в цілому. Стали вивчати фізичні процеси, які відбуваються в твердої, рідкої і газоподібної оболонках Землі. Зацікавилися тим, як реагує наша планета на тяжіння Місяця з Сонцем, як впливає на Землю міжпланетна середовище.
Фахівці впритул зайнялися вивченням хімічного складу земної кори.
Остаточно сформувалася наука геофізика, окремі розділи якої були закладені ще в минулі століття.
Що ж увійшло до складу геофізики - комплексу фізичних наук, які вивчають нашу планету? Перш за все - гравіметрія, наука про полі сили тяжіння Землі, про те, як це поле змінюється. Саме методи гравіметрії дозволили нашим вченим вивчити і побудувати складну фігуру геоїда, з'ясувати будову тих глибинних шарів, куди вже не добратися за допомогою шахт і свердловин, а також вивчити пружні деформації - зміни розмірів і форми Землі під впливом тяжіння Місяця і Сонця.
Методи гравіметрії сьогодні широко застосовуються для пошуку корисних копалин, головним чином нафти, газу, вугілля і деяких рудних тіл, щільність яких відрізняється від щільності прилеглих порід.
Наступний розділ нової науки сейсмологія - наука про землетруси. Вона вивчає причини та умови виникнення цих страшних лих, а також те, як поширюються хвилі пружних коливань у земній товщі. Спостерігаючи поширення цих хвиль, вчені склали сейсмічну модель внутрішньої будови Землі, якою ми користуємося в даний час.
Методи сейсмології, засновані на створенні штучних микроземлетрясений, які викликають геологи мирними вибухами, знаходять теж застосування для пошуків корисних копалин, а також в інженерно-геологічних вишукуваннях, коли намічають траси доріг, будують водосховища і греблі.
Третій розділ наймолодший. Мабуть, лише в наш час, вже в останні роки, він прийняв частину дослідницького вантажу на свою спину. Я маю на увазі вчення про земне магнетизм. Закладене ще на початку XVII століття, воно недавно увійшло рівноправним партнером у групу наук, зайнятих вивченням глобальних питань будови і еволюції Землі.
Сьогодні до фізики Землі відносять ще електрометрія, яка вивчає природне і штучні електричні поля в Землі; радіометр - досліджує випромінювання, що випускаються природними радіоактивними елементами, що містяться в гірських породах, що вивчає теплову історію нашої планети і сучасне теплове стан її надр. Є й інші галузі знань, які обслуговують сучасну науку про Землю.
Той, хто обере собі надалі спеціальність, пов'язану з вивченням нашої планети, познайомиться ще з безліччю розділів науки про Землю. Тому що ніщо не представляє для нас такого інтересу, як історія і життя планети, на якій ми з вами живемо.
Мабуть, вивчення внутрішньої будови Землі найкраще визначається саме відомій казковій формулою, винесеною в заголовок. Ну справді: ні того, що там знаходиться, ні того, в якому порядку це невідоме розподіляється по надрах, люди не знають. Так на що ж сподіваються?
Правда, у нас вже є приклади того, як, не об'їжджаючи Землю колом, мудрий Ератосфен виміряв планету. А європейські вчені зуміли визначити щільність Землі або, іншими словами, «зважили» планету без ваг. Тепер залишилося довести, що щільність розподіляється саме так, як передбачалося, тобто що в центрі Землі є важке щільне ядро.
Звичайно, легко сказати, що щільність речовини Землі повинна збільшуватися з глибиною, приводити різні цифри, запевняючи, що вони вийшли в результаті «теоретичних розрахунків», стверджувати, що в центрі Землі є щільне ядро ... А ось як це все перевірити, якщо ніхто до центру планети не добирався та навряд чи й добереться в доступний для огляду час? Може бути, Земля вся наскрізь складається з речовини однакової щільності і ніякого ядра в ній немає?
Є у хитромудрих фізиків один спосіб, що дозволяє дізнатися розподіл важких мас у тілі з того, як вона рухається. Винайти цей спосіб було непросто. Початок йому поклав німецький математик і астроном Фрідріх Бессель. У 1844 році він зауважив, що в рівномірному русі зірки Сіріус спостерігаються дивні відхилення. Ніби хтось невидимий крутиться навколо зірки і збиває її своїм притяганням зі шляху то в один бік, то в іншу. Приблизно так само веселий цуценя на повідку, бігаючи навколо свого господаря, не дає тому витримувати строго певний напрямок. Такий же характер руху спостерігалося і у деяких інших зірок. «А не чи літають поряд з ними важкі, але невидимі супутники?» - Подумав математик. Але довести нічого не зміг.
Минуло вісімнадцять років. Астрономи побудували нові телескопи. І одного разу побачили поруч з яскравим Сіріусом крихітну зірочку, ледве помітну в сліпучих променях головної зірки. Прав був Бессель - отже, система із зірки з супутником рухається в просторі трошки за іншими законами, ніж зірка без супутника. Навіть якщо ця остання і має ту ж масу.
А ось ще приклад. Якщо ви літали в літаках, то, напевно, помічали: коли пасажирів небагато, стюардеси розсаджують їх так, щоб вони не збивались в купу, а розподілялися, врівноважуючи багаж і паливо. І це правильно. Тому що інакше літак може втратити рівновагу при зльоті і впасти. Тут теж рух залежить від розподілу мас, але вже всередині одного тіла - літака.
Тепер уявіть собі, що у вас є дві кулі. Розміри їх одні й ті ж. Маси, середні щільності - все точнісінько в точнісінько однаково. Але ви знаєте, що перша куля відлитий суцільним з одного металу, а в іншого важке ядро оточене більш легкої оболонкою. Зовні вони нічим не відрізняються. Як же все-таки з'ясувати, не розкриваючи, в якого з них є ядро.
Ось тут-то на допомогу і приходить фізика. Виявляється, якщо покласти обидві кулі на похилу дошку і скачувати їх, як на перегонах, то один буде завжди трохи відставати від іншого. Це і є суцільний шар. Його момент інерції більше, ніж у кулі з важким ядром і легкої оболонкою.
Момент інерції як раз і є та характеристика, яка залежить від розподілу мас в системі тіл або в одному тілі. Знаючи його, можна судити про те, як влаштоване тіло, не забираючись в його середину.
Наша Земля теж не одинак. Поруч з нею літає Місяць. І вчені вміють визначати моменти інерції подібних систем.
Цікаво відзначити, що після всіх розрахунків момент інерції нашої планети виявився на сімнадцять відсотків менше, ніж він повинен бути у суцільного кулі масою і розмірами рівного Землі. Значить, у нашої планети обов'язково має бути важке ядро.
Ну як не захопитися винахідливістю людського розуму, який знайшов вирішення такої, здавалося б, нерозв'язною завдання?!
Як влаштована кора Землі
Самий верхній шар твердої землі вчені назвали корою. Склад кори складний. Найбільше у ній виявилося кисню, кремнію і алюмінію. Потім ішли інші елементи, але їх значно менше. Звичайно, газ кисень міститься в корі не в чистому вигляді. Він входить до складу оксидів. Адже навіть звичайний пісок - це оксид кремнію зі всілякими добавками. А проста глина - такий же оксид алюмінію, але теж з безліччю добавок. Раніше легкоплавкі породи земної кори називали «Сіаль». «Сі» від слова сіліціум - кремній, по-латиною, «аль» - від алюмінію. Зараз цей термін застарів.
Склад і будова землі завжди цікавили людство. Та й не дивно - адже саме кора, її верхній шар забезпечує людину всім необхідним для життя. На жаль, минули ті часи, коли кам'яне вугілля і руду люди добували прямо з поверхні, варто було лише розворушити трохи орну землю або мох або іншу яку-небудь грунт. Минув час, коли нафта тугими фонтанами била з свердловин, пробурених на кілька десятків метрів. Зараз, щоб знайти корисні копалини, доводиться ретельно вивчати будову земної 'кори і забиратися в неї все глибше і глибше.
Уявіть себе на хвилинку геологом. Ваше завдання - пошук родовища редкометалліческіх руд, наприклад вольфрамових і молібденових. Обидва металу - найважливіші і незамінні добавки для високосортних сталей: вольфрам входить до складу високоміцних сплавів, а молібден - жароміцних. Як же шукають руди, що містять ці такі необхідні сучасній промисловості метали?
Вольфрам - метал важкий. Може бути, і руди його більш щільні, ніж навколишні породи? Якщо так, то можна застосувати гравітаційну розвідку. Знайти місце, де сила тяжіння трохи більше, там і копати. Але от біда: обидва метали - і вольфрам і молібден - містяться в гірських породах у таких невеликих кількостях, що практично нічим не змінюють їх властивостей. Ні, гравітаційна розвідка не годиться. Може бути, спробувати магниторазведку? Але гірські породи, що містять вольфрамові і молібденові руди, майже не магнітні. І по електричним властивостям вони занадто мало відрізняються від оточуючих гірських порід. Як же їх шукати?
Правда, з наявного досвіду, ми знаємо, що вольфрамові і молібденові родовища часто бувають поруч з гранітними масивами. Як же вони там виявляються? Спробуємо уявити собі цей процес.
Глибоко під земною корою знаходяться осередки розпеченої магми. Могутні сили земного тиску здавлюють її. Б'ється гаряче земне «вариво», шукає, куди б прорватися. Найлегший шлях - нагору, там тиск поменше. Знайде магма тріщинку і, як паста з тюбика, видавлюється, видавлюється. Розсовує породи, ущільнює їх, прогріває. Оточує себе як шкаралупою. У такій шкаралупі магма остигає. А раз остигає - обсяг її зменшується. І вся маса її як би просідає. Між гранітом, на який перетворилася остившая магма, і міцним склепінням-шкаралупою утворюється пориста, тріщинуватості область. У неї починає пробиратися вода. Гарячі геотермальні розчини приносять сюди з'єднання різних металів, частина з них випадає в опади. Рік за роком, тисячоліття за тисячоліттям триває цей процес. І утворюється в пористої області родовище рідкісних металів.
Значить, щоб розвідати вольфрам з молібденом, потрібно спочатку вивчити гірський район і відшукати гранітні масиви. Потім вивчити склад знайдених гранітів, оскільки рідкісні метали зустрічаються далеко не у всіх. Треба бити шурфи, бурити розвідувальні свердловини. Загалом, клопоту предостатньо. Нелегка робота геологорозвідувальників.
Найбільше відомостей про будову земної кори дав все ж сейсмічний метод. Я вже розповідав про те, як під дією землетрусів або потужних вибухів частки землі зсуваються, передають свій рух далі і виникають сейсмічні хвилі. Вони, як рентгенівські промені, «просвічують» Землю, виявляючи її внутрішню будову.
У 1909 році сербський вчений Андрій Мохоровічич, вивчаючи землетрус в Загребі, виявив шар, що відокремлює земну кору від мантії.
Потім чотирнадцять років потому австрійський учений В. Конрад виділив всередині земної кори ще один кордон. Вище за неї швидкість поширення сейсмічних хвиль дорівнювала швидкості таких коливань у граніті, а нижче - у базальтах. Цей шар або поверхню назвали «поверхнею Конрада». І вчені домовилися вважати, що під осадовим, порівняно пухким, шаром на глибині 20-25 кілометрів лежать спочатку граніти, а за ними, ще глибше, - базальти.
На самій-то справі, звичайно, в «гранітному шарі» знаходяться зовсім не знайомі нам всім граніти, а безліч самих різних порід, спресованих до щільності граніту. Точно так само, як і «базальтовий шар» теж не складається з одного лише базальту.
Таким тришаровим «пирогом» видається сьогодні материкова або континентальна кора. І зовсім інакше виявилася влаштована земна кора, що вистилає океанічне дно. Опадів значно менше, ніж на суші. І кудись пропав гранітний шар. Чому? Про це до цих пір йдуть гарячі суперечки серед вчених.
З чого складається мантія
Точно цього не знає ніхто! Добути шматочок речовини з глибоких надр - немає більш заповітної мрії у геологів. Скільки б невирішених завдань відразу отримало рішення. Але ... до цього поки далеко. Поки що лише за непрямими ознаками можна обговорювати можливий склад і будова речовини мантії.
Довгий час основним матеріалом мантії вважався олівін - добре знайомий багатьом жовтувато-зелений, оливковий, а то і коричневий мінерал, що входить до складу майже всіх самих важких гірських порід землі, коли-небудь виливався із надр земних розплавленої магмою.
З олівіну ж в основному складаються і кам'яні метеорити, що прилітають до нас на Землю з космічного простору. Деякі вчені вважають, що це залишки будівельного матеріалу, з якого утворилися планети, в тому числі і наша Земля.
У 1936 році відомий англійський фізик і видатний громадський діяч Джон Берналл припустив, що в глибині земних надр в умовах високих температур і тисків кристалики олівіну здавлюються, атоми перепаковується і повинні виходити кристали іншої, більшої щільності. Аналогічну ідею висловив в той же час і професор Ленінградського гірничого інституту Володимир (Вартан) Микитович човнярів. Він вважав, що всі фізичні властивості матерії, що знаходиться в глибині Землі, повинні змінюватися.
Вчені почали випробовувати олівін в лабораторіях. Кубики жовто-зеленого мінералу здавлювали і нагрівали, знову нагрівали і знову здавлювали. Дуже підходив олівін під тиском за сейсмічними характеристиками до речовини мантії, але ... При тисках, які відповідали глибині приблизно чотириста кілометрів, він руйнувався. Значить, з нього могла складатися тільки верхня і частково середня мантія. А що ж входить до складу нижньої?
Російський геофізик В.А. Магніцький і американський вчений Ф. Берч висунули гіпотезу про те, що під дією гігантських тисків і температур складні силікатні сполуки (у тому числі і олівін) розпадаються на прості оксиди кремнію, магнію, заліза, але в більш щільній упаковці.
У це було важко повірити. Адже кристалічна решітка мінералів - першооснова матерії. Невже простим тиском і підвищенням температури можна її змінити? ..
У 1958 році австралійський вчений А. Рінгвуд разом зі своїми колегами уклав зразки олівіну в могутній прес і, нагріваючи їх до температури приблизно в тисячу градусів, здавив до ста тисяч бар. Результат виявився дивовижним. Якщо розглянути кристалик звичайного олівіну під електронним мікроскопом, а потім побудувати модель упаковки його іонів кисню, то вийде рівна шестигранна прізмочка. Приблизно така намальована на малюнку. Але після дослідів Рінгвуд матеріал повністю перебудовувався. Довга прізмочка з іонами кисню у вузлах перетворювалася на щільний присадкуватий кубик, що відповідав кристалічній структурі твердої шпінелі. Значить, правий був Берналл, говорячи про можливість таких перетворень, праві були човнярів, Магніцький і Берч.
На одному з міжнародних симпозіумів з геофізики, що відбувся в 1963 році, радянські фахівці показали зарубіжним колегам невеликі темні кристалики незрозумілого речовини. Ніхто з геологів не міг визначити, що це таке. Начебто кварц, а разом з тим і не кварц. Дуже вже щільний і важкий. Виявилося, все-таки кварц, тільки що побував в умовах сильного стиснення і високої температури. Його отримали радянські вчені С.М. Стишов та С.В. Попова у лабораторії Інституту фізики високих тисків. На ім'я одного зі своїх творців новий мінерал отримав і назва - стішовіт.
Цікавою виявилася знахідка стішовіта в природних умовах.
Американці відшукали його в кратері Арізони, де він утворився в момент потужного удару прилетів метеорита об Землю.
Виходило, що речовини, з яких складені верхні шари мантії, можуть складати і нижні її поверхи. Але при цьому кристали під дією високих тисків і температур переходять з одного виду в інші.
Такі перетворення, коли речовина з одного стану переходить в інше, наприклад вода переходить з пари в рідину, а з рідини в лід, називаються фазовими перетвореннями або фазовими переходами. Ці переходи, мабуть, грають дуже велику роль і значення в процесах, що відбуваються в глибоких надрах. Вони допомагають сьогодні вченим уявити собі не тільки склад нижньої мантії, але і ядра Землі.
Земля - сучасна модель
Що ж лежить в основі сучасних уявлень про внутрішню будову Землі? Як не дивно, але ці основи можна розділити за старовинними звичаєм на три групи - три «кити». Перш за все уявлення про склад нашої планети дає лава, що вилилася з надр через жерла вулканів і тріщини. У більшості випадків вона має базальтовий склад. І геологи так її і називають - базальтова лава. Крім того, ми достеменно знаємо про існування великих гранітних масивів у докембрійських товщах кори.
Другий «кит» теж «речовий». Це прилітають до нас з космосу метеорити. Адже по ідеї вони повинні бути з того ж первинного речовини, з якого сліпа і всю земну кулю. Переважна більшість космічних гостей складається з щільної гірської породи - темно-зеленого перідотіта і в залізі.
Нарешті, третій «кит» - стрибкоподібна зміна швидкостей поширення сейсмічних хвиль усередині Землі. Воно дозволяє припустити, що так само стрибкоподібно змінюється і щільність речовини всередині нашої планети, наростаючи з глибиною.
Все це змушує нас припустити, що внутрішня будова Землі дуже складно. А щоб вивчати складні об'єкти, в науці вже давно користуються наближеними моделями. Тобто більш-менш простими і наочними картинами, які приблизно відповідають наявним знанням.
У геофізиці під моделлю Землі розуміють як би розріз нашої планети. На ньому має бути ясно видно, як змінюються такі важливі властивості земних надр, як щільність, тиск, швидкість поширення сейсмічних хвиль, температура, прискорення сили тяжіння, електропровідність і так далі.
Вважається, що перші кроки в побудові реальної моделі внутрішньої будови нашої планети, з урахуванням всієї наявної геофізичної інформації, накопиченої за багато років, зробили американські геофізики Адамс і Вільямсон у 1923 році. Проте сейсмологи в ті роки ще не могли дати досить точних значень для швидкостей пружних коливань. І тому робота американців страждала багатьма неточностями.
Виправити недоліки і уточнити швидкості взялися два найбільших геофізика тридцятих років. З одним із них ми вже зустрічалися, коли розмова йшла про гіпотези походження Землі. Це Гарольд Джефріс, професор Кембріджського університету в Англії. Інший - Бено Гутенберг, німецький вчений, який емігрував з фашистської Німеччини за океан.
Цілих десять років тривала їхня робота. Результати, досягнуті Джефрисом і Гутенбергом, дозволили австралійському геофізику Буллену, стажувався у Джефрисом, побудувати нову модель Землі, в якій він ввів зручне поділ на зони.
І все-таки до початку п'ятдесятих років класичний період в геофізиці, що спирався в основному на методи механіки, закінчився. У Радянському Союзі і в США з'явилися роботи В.А. Магницького і Ф. Берча, які застосували для геофізичних цілей сучасні методи фізики твердого тіла і фізики високих тисків. Я вже розповідав трохи про їх дослідах і висновках. У результаті була побудована сучасна модель оболонки Землі, яка включає в себе літосферу і верхні шари мантії.
Ви можете її побачити на малюнку-графіку з пояснювальними написами. Постарайтеся викликати на допомогу свою уяву, щоб за скромною лінією графіка побачити складність будови і буйство стихій усередині планети. Звичайно, я розумію, що графік не настільки наочний і не такий красивий, як гравюри минулих століть. Але в нього є одна незаперечна перевага перед останніми: він набагато правдоподібніше. На наведеному малюнку ви бачите сейсмічну модель Землі, тобто відображає зміни щільності речовини надр. Але такі ж моделі можна побудувати і для інших властивостей планети.
А тепер кілька слів пояснення. Перш за все під жорсткої корою - літосферою, плити якої ми порівнювали з величезними крижинами-айсбергами, плаваючими на «океані подкоровом речовини», приблизно з Семидесятикілометровий глибини починається новий, невідомий шар. У ньому швидкість поширення сейсмічних хвиль різко падає. Це - астеносфера. Де-не-де місцями в ній розташовуються первинні магматичні вогнища вулканів. Там плавиться і кипить базальтова магма, яка потім по тріщинах і вулканічним каналах піднімається на поверхню. Температура цих вогнищ дуже близька до температури плавлення глибинної речовини мантії. І тому вони збільшують в'язкість всього подкоровом речовини.
Звичайно, астеносферу можна назвати текучої лише порівняно з кам'яними монолітами. Неймовірно повільно рухається щось, що становить подкоровом шар, перетікаючи з місця на місце.
Ви, напевно, знайомі з варом - чорною густою смолою, яка застосовується в будівельній справі. Опції легко колеться на шматки. Значить, він твердий. Але залиште його на довгий час у спокої - і шматок розтечеться калюжею, яка буде так само колотися. Речовина астеносфери ще більш в'язке, ніж вар, але і вона здатна перетікати з одного місця в інше. Тільки дуже повільно.
Приблизно з двухсотпятідесятого кілометра глибини швидкість поширення сейсмічних хвиль знову починає рости. Тут вже тиск в надрах таке велике, що температура плавлення здавленого речовини підвищується. Речовина мантії поступово ущільнюється, і швидкості пружних коливань в ньому ростуть. Але ростуть повільно, ніби накопичують сили. Потім раптом різкий стрибок! Вчені вважають, що тут починається зона фазових переходів, про які я вам теж розповідав. Тут олівін перетворюється на більш тверду шпінель.
І знову з глибиною йде плавне наростання швидкостей до зони нового стрибка - другої зони фазових переходів. Може бути, там відбувається розпад силікатів на окисли. Ми вже згадували про стішовіт, можна уявити собі також ущільнені оксиди і інших елементів - заліза, алюмінію. А може бути, і навпаки, основні породообразующие мінерали оболонки Землі переходять у більш складні структури. Поки про це вчені сперечаються. Але далі, починаючи з глибин в сімсот кілометрів, швидкості поширення сейсмічних хвиль знову плавно наростають під впливом все збільшується тиск верхніх шарів. І так відбувається до самого кордону з ядром Землі.
Ядро - це зовсім особливе питання і абсолютно специфічна область земних надр.
Про ядрі і про наших сучасних уявленнях про нього я хотів би вам розповісти окремо.
З чого складається ядро Землі
Ідей про будову ядра Землі було висловлено безліч. Дмитро Іванович Соколов - російський геолог і академік - говорив, що речовини всередині Землі розподіляються, немов шлак і метал в плавильній печі.
Це образне порівняння не раз отримувало підтвердження. Вчені уважно вивчали прилітали з космосу залізні метеорити, вважаючи їх осколками ядра розпалася планети. Значить, і у Землі ядро має складатися з важкого заліза, що знаходиться в розплавленому стані.
У 1922 році норвезький геохімік Віктор Моріц Гольдшмідт висунув ідею загального розшарування речовини Землі ще в ту пору, коли вся планета перебувала в рідкому стані. Він це вивів по аналогії з металургійним процесом, вивченим на сталеливарних заводах. «У стадії рідкого розплаву, - говорив він, - речовина Землі розділилося на три змішуються рідини - силікатну, сульфідну і металеву. При подальшому охолодженні ці рідини утворили головні оболонки Землі - кору, мантію і залізне ядро! »
Однак ближче до нашого часу ідея «гарячого» походження нашої планети все більше поступалася «холодного» творінню. І в 1939 році човнярів запропонував іншу картину формування надр Землі. До цього часу вже була відома ідея фазових переходів речовини. Човнярів припустив, що фазові зміни речовини зі збільшенням глибини посилюються, в результаті чого речовина поділяється на оболонки. При цьому ядро зовсім не обов'язково має бути залізним. Воно може складатися з переущільнених силікатних порід, що знаходяться в «металевому» стані. Ця ідея була підхоплена і розвинена в 1948 році фінським вченим В. Рамзея. Виходило, що хоч ядро Землі і має іншу фізичний стан, ніж мантія, але причин вважати його складається саме із заліза немає ніяких. Адже переущільненої олівін міг бути настільки ж важким, як і метал ...
Так з'явилися дві виключають один одного гіпотези про склад ядра. Одна - розвинена на основі ідей Е. Віхерта про залізо-нікелевому сплаві з невеликими добавками легких елементів в якості матеріалу ядра Землі. І друга - запропонована В.М. Лодочніковим і розвинена В. Рамзея, яка говорить про те, що склад ядра не відрізняється від складу мантії, але речовина в ньому перебуває в особливо щільному металлизированном стані.
Щоб вирішити, на чию сторону повинна схилитися чаша ваг, вчені багатьох країн ставили в лабораторіях досліди і вважали, вважали, порівнюючи результати своїх розрахунків з тим, що показували сейсмічні дослідження і лабораторні експерименти.
У шістдесятих роках фахівці остаточно прийшли до висновку: гіпотеза металізації силікатів, при тисках і температурах, що панують в ядрі, не підтверджується! Більш того, пророблені дослідження переконливо доводили, що в центрі нашої планети повинно міститися не менше вісімдесяти відсотків усього запасу заліза ... Значить, все-таки ядро Землі - залізне? Залізне, та не зовсім. Чистий метал або чистий металевий сплав, стиснуті в центрі планети, були б дуже важкі для Землі. Отже, слід припустити, що речовина зовнішнього ядра складається з сполук заліза з більш легкими елементами - з киснем, алюмінієм, кремнієм або сіркою, які найбільше поширені в земній корі. Але з якими з них конкретно? Це невідомо.
І от російський вчений Олег Георгійович Сорохтін зробив нове дослідження. Спробуємо простежити у спрощеному вигляді хід його міркувань. Грунтуючись на останніх досягненнях геологічної науки, радянський вчений робить висновок, що в перший період утворення Земля була швидше за все більш-менш однорідною. Всі її речовина приблизно однаково розподілялося по всьому об'єму.
Проте з часом більш важкі елементи, наприклад залізо, стали опускатися, так би мовити, «тонути» у мантії, йдучи все глибше до центру планети. Якщо це так, то, порівнюючи молоді і старі гірські породи, можна в молодих очікувати менший вміст важких елементів, того ж заліза, широко розповсюдженого в речовині Землі.
Вивчення древніх лав підтвердило висловлене припущення. Проте чисто залізним ядро Землі бути не може. Для цього воно занадто легке.
Що ж стало супутником заліза на його шляху до центру? Вчений перепробував безліч елементів. Але одні погано розчинялися в розплаві, інші виявлялися несумісні. І тоді у Сорохтіна виникла думка: чи не був супутником заліза найпоширеніший елемент - кисень?
Щоправда, розрахунки показували, що з'єднання заліза з киснем - окис заліза - начебто залегка для ядра. Але ж в умовах стиснення і нагрівання в надрах окис заліза теж має зазнати фазові зміни. В умовах, що існують поблизу центру Землі, лише два атоми заліза здатні утримати один атом кисню. Значить, щільність отриманої окису стане більше ...
І знову розрахунки, розрахунки. Але зате яке задоволення, коли отриманий результат показав, що щільність і маса земного ядра, побудованого з окису заліза, зазнала фазові зміни, дає точно ту величину, яку вимагає сучасна модель ядра!
Ось вона - сучасна і, мабуть, найправдоподібніша за всю історію її пошуків модель нашої планети. «Зовнішнє ядро Землі складається з окису одновалентної фази заліза Fe 2 О, а внутрішнє ядро - з металевого заліза або сплаву заліза з нікелем, - пише у своїй книзі Олег Георгійович Сорохтін. - Перехідний шар F між внутрішнім і зовнішнім ядром можна вважати складається з сірчистого заліза - троілліта FeS ».
У створенні сучасної гіпотези про виділення ядра з первинної речовини Землі беруть участь багато видатних геологи і геофізики, океанологи і сейсмологи - представники буквально всіх галузей науки, що вивчає планету. Процеси тектонічного розвитку Землі, на думку вчених, будуть продовжуватися в надрах ще досить довго, принаймні попереду у нашої планети є ще пара мільярдів років. Лише після цього неозорого терміну Земля охолоне і перетвориться на мертве космічне тіло. Але що до цього часу буде? ..
Скільки років нараховує людство? Мільйон, два, ну, два з половиною. І за цей термін люди не тільки піднялися з четверенек, приручили вогонь і зрозуміли, як витягувати енергію з атома, вони послали людини в космос, автомати на інші планети Сонячної системи і освоїли ближній космос для технічних потреб.
Дослідження, а потім і використання глибоких надр власної планети - програма, яка вже стукає у двері наукового прогресу.
Література
1. Акі К., Річардс П. Кількісна сейсмологія. - М, 1983.
2. Буллен К. Введення в теоретичну сейсмологи. - М., 1966.
3. Джеффріс Г. Земля, її походження, історія та будова. - М., 1999.
4. Жарков В.М. Внутрішня будова Землі і планет. - М., 1983.
5. Магніцький В.А. Внутрішня будова і фізика Землі. - М., 2002.
6. Пузирьов М.М. Методи та об'єкти сейсмічних досліджень. - Новосибірськ, 1997.
7. Саваренський Є.Ф. Сейсмічні хвилі. - М., 2003.
Внутрішня будова Землі
Створення моделі внутрішньої будови Землі - одне з найбільших досягнень науки XX століття. Звичайно, створювалися моделі і раніше. Але вони грунтувалися на припущеннях і на порівняно невеликій кількості достовірних фактів. Більше було припущень. Не можна сказати, щоб сьогодні всі в будові Землі було б ученим ясно і зрозуміло. Надра таять величезний запас загадок. Але в принципі, я думаю, можна сказати, що сучасна модель вже навряд чи коли-небудь істотно зміниться так, як змінювалися моделі минулих, наприклад, століть.
А як же вдалося побудувати її вченим? Може бути, люди прорили шахту до центру землі і досліджували кожен метр глибини? Таку роботу не те що проробити - уявити собі неможливо. Нам би ще багато років довелося гадати про будову надр, якщо б до середини минулого століття не намітився новий підхід до проблеми.
Вчені почали розглядати Землю як фізичне тіло в цілому. Стали вивчати фізичні процеси, які відбуваються в твердої, рідкої і газоподібної оболонках Землі. Зацікавилися тим, як реагує наша планета на тяжіння Місяця з Сонцем, як впливає на Землю міжпланетна середовище.
Фахівці впритул зайнялися вивченням хімічного складу земної кори.
Остаточно сформувалася наука геофізика, окремі розділи якої були закладені ще в минулі століття.
Що ж увійшло до складу геофізики - комплексу фізичних наук, які вивчають нашу планету? Перш за все - гравіметрія, наука про полі сили тяжіння Землі, про те, як це поле змінюється. Саме методи гравіметрії дозволили нашим вченим вивчити і побудувати складну фігуру геоїда, з'ясувати будову тих глибинних шарів, куди вже не добратися за допомогою шахт і свердловин, а також вивчити пружні деформації - зміни розмірів і форми Землі під впливом тяжіння Місяця і Сонця.
Методи гравіметрії сьогодні широко застосовуються для пошуку корисних копалин, головним чином нафти, газу, вугілля і деяких рудних тіл, щільність яких відрізняється від щільності прилеглих порід.
Наступний розділ нової науки сейсмологія - наука про землетруси. Вона вивчає причини та умови виникнення цих страшних лих, а також те, як поширюються хвилі пружних коливань у земній товщі. Спостерігаючи поширення цих хвиль, вчені склали сейсмічну модель внутрішньої будови Землі, якою ми користуємося в даний час.
Методи сейсмології, засновані на створенні штучних микроземлетрясений, які викликають геологи мирними вибухами, знаходять теж застосування для пошуків корисних копалин, а також в інженерно-геологічних вишукуваннях, коли намічають траси доріг, будують водосховища і греблі.
Третій розділ наймолодший. Мабуть, лише в наш час, вже в останні роки, він прийняв частину дослідницького вантажу на свою спину. Я маю на увазі вчення про земне магнетизм. Закладене ще на початку XVII століття, воно недавно увійшло рівноправним партнером у групу наук, зайнятих вивченням глобальних питань будови і еволюції Землі.
Сьогодні до фізики Землі відносять ще електрометрія, яка вивчає природне і штучні електричні поля в Землі; радіометр - досліджує випромінювання, що випускаються природними радіоактивними елементами, що містяться в гірських породах, що вивчає теплову історію нашої планети і сучасне теплове стан її надр. Є й інші галузі знань, які обслуговують сучасну науку про Землю.
Той, хто обере собі надалі спеціальність, пов'язану з вивченням нашої планети, познайомиться ще з безліччю розділів науки про Землю. Тому що ніщо не представляє для нас такого інтересу, як історія і життя планети, на якій ми з вами живемо.
Мабуть, вивчення внутрішньої будови Землі найкраще визначається саме відомій казковій формулою, винесеною в заголовок. Ну справді: ні того, що там знаходиться, ні того, в якому порядку це невідоме розподіляється по надрах, люди не знають. Так на що ж сподіваються?
Правда, у нас вже є приклади того, як, не об'їжджаючи Землю колом, мудрий Ератосфен виміряв планету. А європейські вчені зуміли визначити щільність Землі або, іншими словами, «зважили» планету без ваг. Тепер залишилося довести, що щільність розподіляється саме так, як передбачалося, тобто що в центрі Землі є важке щільне ядро.
Звичайно, легко сказати, що щільність речовини Землі повинна збільшуватися з глибиною, приводити різні цифри, запевняючи, що вони вийшли в результаті «теоретичних розрахунків», стверджувати, що в центрі Землі є щільне ядро ... А ось як це все перевірити, якщо ніхто до центру планети не добирався та навряд чи й добереться в доступний для огляду час? Може бути, Земля вся наскрізь складається з речовини однакової щільності і ніякого ядра в ній немає?
Є у хитромудрих фізиків один спосіб, що дозволяє дізнатися розподіл важких мас у тілі з того, як вона рухається. Винайти цей спосіб було непросто. Початок йому поклав німецький математик і астроном Фрідріх Бессель. У 1844 році він зауважив, що в рівномірному русі зірки Сіріус спостерігаються дивні відхилення. Ніби хтось невидимий крутиться навколо зірки і збиває її своїм притяганням зі шляху то в один бік, то в іншу. Приблизно так само веселий цуценя на повідку, бігаючи навколо свого господаря, не дає тому витримувати строго певний напрямок. Такий же характер руху спостерігалося і у деяких інших зірок. «А не чи літають поряд з ними важкі, але невидимі супутники?» - Подумав математик. Але довести нічого не зміг.
Минуло вісімнадцять років. Астрономи побудували нові телескопи. І одного разу побачили поруч з яскравим Сіріусом крихітну зірочку, ледве помітну в сліпучих променях головної зірки. Прав був Бессель - отже, система із зірки з супутником рухається в просторі трошки за іншими законами, ніж зірка без супутника. Навіть якщо ця остання і має ту ж масу.
А ось ще приклад. Якщо ви літали в літаках, то, напевно, помічали: коли пасажирів небагато, стюардеси розсаджують їх так, щоб вони не збивались в купу, а розподілялися, врівноважуючи багаж і паливо. І це правильно. Тому що інакше літак може втратити рівновагу при зльоті і впасти. Тут теж рух залежить від розподілу мас, але вже всередині одного тіла - літака.
Тепер уявіть собі, що у вас є дві кулі. Розміри їх одні й ті ж. Маси, середні щільності - все точнісінько в точнісінько однаково. Але ви знаєте, що перша куля відлитий суцільним з одного металу, а в іншого важке ядро оточене більш легкої оболонкою. Зовні вони нічим не відрізняються. Як же все-таки з'ясувати, не розкриваючи, в якого з них є ядро.
Ось тут-то на допомогу і приходить фізика. Виявляється, якщо покласти обидві кулі на похилу дошку і скачувати їх, як на перегонах, то один буде завжди трохи відставати від іншого. Це і є суцільний шар. Його момент інерції більше, ніж у кулі з важким ядром і легкої оболонкою.
Момент інерції як раз і є та характеристика, яка залежить від розподілу мас в системі тіл або в одному тілі. Знаючи його, можна судити про те, як влаштоване тіло, не забираючись в його середину.
Наша Земля теж не одинак. Поруч з нею літає Місяць. І вчені вміють визначати моменти інерції подібних систем.
Цікаво відзначити, що після всіх розрахунків момент інерції нашої планети виявився на сімнадцять відсотків менше, ніж він повинен бути у суцільного кулі масою і розмірами рівного Землі. Значить, у нашої планети обов'язково має бути важке ядро.
Ну як не захопитися винахідливістю людського розуму, який знайшов вирішення такої, здавалося б, нерозв'язною завдання?!
Як влаштована кора Землі
Самий верхній шар твердої землі вчені назвали корою. Склад кори складний. Найбільше у ній виявилося кисню, кремнію і алюмінію. Потім ішли інші елементи, але їх значно менше. Звичайно, газ кисень міститься в корі не в чистому вигляді. Він входить до складу оксидів. Адже навіть звичайний пісок - це оксид кремнію зі всілякими добавками. А проста глина - такий же оксид алюмінію, але теж з безліччю добавок. Раніше легкоплавкі породи земної кори називали «Сіаль». «Сі» від слова сіліціум - кремній, по-латиною, «аль» - від алюмінію. Зараз цей термін застарів.
Склад і будова землі завжди цікавили людство. Та й не дивно - адже саме кора, її верхній шар забезпечує людину всім необхідним для життя. На жаль, минули ті часи, коли кам'яне вугілля і руду люди добували прямо з поверхні, варто було лише розворушити трохи орну землю або мох або іншу яку-небудь грунт. Минув час, коли нафта тугими фонтанами била з свердловин, пробурених на кілька десятків метрів. Зараз, щоб знайти корисні копалини, доводиться ретельно вивчати будову земної 'кори і забиратися в неї все глибше і глибше.
Уявіть себе на хвилинку геологом. Ваше завдання - пошук родовища редкометалліческіх руд, наприклад вольфрамових і молібденових. Обидва металу - найважливіші і незамінні добавки для високосортних сталей: вольфрам входить до складу високоміцних сплавів, а молібден - жароміцних. Як же шукають руди, що містять ці такі необхідні сучасній промисловості метали?
Вольфрам - метал важкий. Може бути, і руди його більш щільні, ніж навколишні породи? Якщо так, то можна застосувати гравітаційну розвідку. Знайти місце, де сила тяжіння трохи більше, там і копати. Але от біда: обидва метали - і вольфрам і молібден - містяться в гірських породах у таких невеликих кількостях, що практично нічим не змінюють їх властивостей. Ні, гравітаційна розвідка не годиться. Може бути, спробувати магниторазведку? Але гірські породи, що містять вольфрамові і молібденові руди, майже не магнітні. І по електричним властивостям вони занадто мало відрізняються від оточуючих гірських порід. Як же їх шукати?
Правда, з наявного досвіду, ми знаємо, що вольфрамові і молібденові родовища часто бувають поруч з гранітними масивами. Як же вони там виявляються? Спробуємо уявити собі цей процес.
Глибоко під земною корою знаходяться осередки розпеченої магми. Могутні сили земного тиску здавлюють її. Б'ється гаряче земне «вариво», шукає, куди б прорватися. Найлегший шлях - нагору, там тиск поменше. Знайде магма тріщинку і, як паста з тюбика, видавлюється, видавлюється. Розсовує породи, ущільнює їх, прогріває. Оточує себе як шкаралупою. У такій шкаралупі магма остигає. А раз остигає - обсяг її зменшується. І вся маса її як би просідає. Між гранітом, на який перетворилася остившая магма, і міцним склепінням-шкаралупою утворюється пориста, тріщинуватості область. У неї починає пробиратися вода. Гарячі геотермальні розчини приносять сюди з'єднання різних металів, частина з них випадає в опади. Рік за роком, тисячоліття за тисячоліттям триває цей процес. І утворюється в пористої області родовище рідкісних металів.
Значить, щоб розвідати вольфрам з молібденом, потрібно спочатку вивчити гірський район і відшукати гранітні масиви. Потім вивчити склад знайдених гранітів, оскільки рідкісні метали зустрічаються далеко не у всіх. Треба бити шурфи, бурити розвідувальні свердловини. Загалом, клопоту предостатньо. Нелегка робота геологорозвідувальників.
Найбільше відомостей про будову земної кори дав все ж сейсмічний метод. Я вже розповідав про те, як під дією землетрусів або потужних вибухів частки землі зсуваються, передають свій рух далі і виникають сейсмічні хвилі. Вони, як рентгенівські промені, «просвічують» Землю, виявляючи її внутрішню будову.
У 1909 році сербський вчений Андрій Мохоровічич, вивчаючи землетрус в Загребі, виявив шар, що відокремлює земну кору від мантії.
Потім чотирнадцять років потому австрійський учений В. Конрад виділив всередині земної кори ще один кордон. Вище за неї швидкість поширення сейсмічних хвиль дорівнювала швидкості таких коливань у граніті, а нижче - у базальтах. Цей шар або поверхню назвали «поверхнею Конрада». І вчені домовилися вважати, що під осадовим, порівняно пухким, шаром на глибині 20-25 кілометрів лежать спочатку граніти, а за ними, ще глибше, - базальти.
На самій-то справі, звичайно, в «гранітному шарі» знаходяться зовсім не знайомі нам всім граніти, а безліч самих різних порід, спресованих до щільності граніту. Точно так само, як і «базальтовий шар» теж не складається з одного лише базальту.
Таким тришаровим «пирогом» видається сьогодні материкова або континентальна кора. І зовсім інакше виявилася влаштована земна кора, що вистилає океанічне дно. Опадів значно менше, ніж на суші. І кудись пропав гранітний шар. Чому? Про це до цих пір йдуть гарячі суперечки серед вчених.
З чого складається мантія
Точно цього не знає ніхто! Добути шматочок речовини з глибоких надр - немає більш заповітної мрії у геологів. Скільки б невирішених завдань відразу отримало рішення. Але ... до цього поки далеко. Поки що лише за непрямими ознаками можна обговорювати можливий склад і будова речовини мантії.
Довгий час основним матеріалом мантії вважався олівін - добре знайомий багатьом жовтувато-зелений, оливковий, а то і коричневий мінерал, що входить до складу майже всіх самих важких гірських порід землі, коли-небудь виливався із надр земних розплавленої магмою.
З олівіну ж в основному складаються і кам'яні метеорити, що прилітають до нас на Землю з космічного простору. Деякі вчені вважають, що це залишки будівельного матеріалу, з якого утворилися планети, в тому числі і наша Земля.
У 1936 році відомий англійський фізик і видатний громадський діяч Джон Берналл припустив, що в глибині земних надр в умовах високих температур і тисків кристалики олівіну здавлюються, атоми перепаковується і повинні виходити кристали іншої, більшої щільності. Аналогічну ідею висловив в той же час і професор Ленінградського гірничого інституту Володимир (Вартан) Микитович човнярів. Він вважав, що всі фізичні властивості матерії, що знаходиться в глибині Землі, повинні змінюватися.
Вчені почали випробовувати олівін в лабораторіях. Кубики жовто-зеленого мінералу здавлювали і нагрівали, знову нагрівали і знову здавлювали. Дуже підходив олівін під тиском за сейсмічними характеристиками до речовини мантії, але ... При тисках, які відповідали глибині приблизно чотириста кілометрів, він руйнувався. Значить, з нього могла складатися тільки верхня і частково середня мантія. А що ж входить до складу нижньої?
Російський геофізик В.А. Магніцький і американський вчений Ф. Берч висунули гіпотезу про те, що під дією гігантських тисків і температур складні силікатні сполуки (у тому числі і олівін) розпадаються на прості оксиди кремнію, магнію, заліза, але в більш щільній упаковці.
У це було важко повірити. Адже кристалічна решітка мінералів - першооснова матерії. Невже простим тиском і підвищенням температури можна її змінити? ..
У 1958 році австралійський вчений А. Рінгвуд разом зі своїми колегами уклав зразки олівіну в могутній прес і, нагріваючи їх до температури приблизно в тисячу градусів, здавив до ста тисяч бар. Результат виявився дивовижним. Якщо розглянути кристалик звичайного олівіну під електронним мікроскопом, а потім побудувати модель упаковки його іонів кисню, то вийде рівна шестигранна прізмочка. Приблизно така намальована на малюнку. Але після дослідів Рінгвуд матеріал повністю перебудовувався. Довга прізмочка з іонами кисню у вузлах перетворювалася на щільний присадкуватий кубик, що відповідав кристалічній структурі твердої шпінелі. Значить, правий був Берналл, говорячи про можливість таких перетворень, праві були човнярів, Магніцький і Берч.
На одному з міжнародних симпозіумів з геофізики, що відбувся в 1963 році, радянські фахівці показали зарубіжним колегам невеликі темні кристалики незрозумілого речовини. Ніхто з геологів не міг визначити, що це таке. Начебто кварц, а разом з тим і не кварц. Дуже вже щільний і важкий. Виявилося, все-таки кварц, тільки що побував в умовах сильного стиснення і високої температури. Його отримали радянські вчені С.М. Стишов та С.В. Попова у лабораторії Інституту фізики високих тисків. На ім'я одного зі своїх творців новий мінерал отримав і назва - стішовіт.
Цікавою виявилася знахідка стішовіта в природних умовах.
Американці відшукали його в кратері Арізони, де він утворився в момент потужного удару прилетів метеорита об Землю.
Виходило, що речовини, з яких складені верхні шари мантії, можуть складати і нижні її поверхи. Але при цьому кристали під дією високих тисків і температур переходять з одного виду в інші.
Такі перетворення, коли речовина з одного стану переходить в інше, наприклад вода переходить з пари в рідину, а з рідини в лід, називаються фазовими перетвореннями або фазовими переходами. Ці переходи, мабуть, грають дуже велику роль і значення в процесах, що відбуваються в глибоких надрах. Вони допомагають сьогодні вченим уявити собі не тільки склад нижньої мантії, але і ядра Землі.
Земля - сучасна модель
Що ж лежить в основі сучасних уявлень про внутрішню будову Землі? Як не дивно, але ці основи можна розділити за старовинними звичаєм на три групи - три «кити». Перш за все уявлення про склад нашої планети дає лава, що вилилася з надр через жерла вулканів і тріщини. У більшості випадків вона має базальтовий склад. І геологи так її і називають - базальтова лава. Крім того, ми достеменно знаємо про існування великих гранітних масивів у докембрійських товщах кори.
Другий «кит» теж «речовий». Це прилітають до нас з космосу метеорити. Адже по ідеї вони повинні бути з того ж первинного речовини, з якого сліпа і всю земну кулю. Переважна більшість космічних гостей складається з щільної гірської породи - темно-зеленого перідотіта і в залізі.
Нарешті, третій «кит» - стрибкоподібна зміна швидкостей поширення сейсмічних хвиль усередині Землі. Воно дозволяє припустити, що так само стрибкоподібно змінюється і щільність речовини всередині нашої планети, наростаючи з глибиною.
Все це змушує нас припустити, що внутрішня будова Землі дуже складно. А щоб вивчати складні об'єкти, в науці вже давно користуються наближеними моделями. Тобто більш-менш простими і наочними картинами, які приблизно відповідають наявним знанням.
У геофізиці під моделлю Землі розуміють як би розріз нашої планети. На ньому має бути ясно видно, як змінюються такі важливі властивості земних надр, як щільність, тиск, швидкість поширення сейсмічних хвиль, температура, прискорення сили тяжіння, електропровідність і так далі.
Вважається, що перші кроки в побудові реальної моделі внутрішньої будови нашої планети, з урахуванням всієї наявної геофізичної інформації, накопиченої за багато років, зробили американські геофізики Адамс і Вільямсон у 1923 році. Проте сейсмологи в ті роки ще не могли дати досить точних значень для швидкостей пружних коливань. І тому робота американців страждала багатьма неточностями.
Виправити недоліки і уточнити швидкості взялися два найбільших геофізика тридцятих років. З одним із них ми вже зустрічалися, коли розмова йшла про гіпотези походження Землі. Це Гарольд Джефріс, професор Кембріджського університету в Англії. Інший - Бено Гутенберг, німецький вчений, який емігрував з фашистської Німеччини за океан.
Цілих десять років тривала їхня робота. Результати, досягнуті Джефрисом і Гутенбергом, дозволили австралійському геофізику Буллену, стажувався у Джефрисом, побудувати нову модель Землі, в якій він ввів зручне поділ на зони.
І все-таки до початку п'ятдесятих років класичний період в геофізиці, що спирався в основному на методи механіки, закінчився. У Радянському Союзі і в США з'явилися роботи В.А. Магницького і Ф. Берча, які застосували для геофізичних цілей сучасні методи фізики твердого тіла і фізики високих тисків. Я вже розповідав трохи про їх дослідах і висновках. У результаті була побудована сучасна модель оболонки Землі, яка включає в себе літосферу і верхні шари мантії.
Ви можете її побачити на малюнку-графіку з пояснювальними написами. Постарайтеся викликати на допомогу свою уяву, щоб за скромною лінією графіка побачити складність будови і буйство стихій усередині планети. Звичайно, я розумію, що графік не настільки наочний і не такий красивий, як гравюри минулих століть. Але в нього є одна незаперечна перевага перед останніми: він набагато правдоподібніше. На наведеному малюнку ви бачите сейсмічну модель Землі, тобто відображає зміни щільності речовини надр. Але такі ж моделі можна побудувати і для інших властивостей планети.
А тепер кілька слів пояснення. Перш за все під жорсткої корою - літосферою, плити якої ми порівнювали з величезними крижинами-айсбергами, плаваючими на «океані подкоровом речовини», приблизно з Семидесятикілометровий глибини починається новий, невідомий шар. У ньому швидкість поширення сейсмічних хвиль різко падає. Це - астеносфера. Де-не-де місцями в ній розташовуються первинні магматичні вогнища вулканів. Там плавиться і кипить базальтова магма, яка потім по тріщинах і вулканічним каналах піднімається на поверхню. Температура цих вогнищ дуже близька до температури плавлення глибинної речовини мантії. І тому вони збільшують в'язкість всього подкоровом речовини.
Звичайно, астеносферу можна назвати текучої лише порівняно з кам'яними монолітами. Неймовірно повільно рухається щось, що становить подкоровом шар, перетікаючи з місця на місце.
Ви, напевно, знайомі з варом - чорною густою смолою, яка застосовується в будівельній справі. Опції легко колеться на шматки. Значить, він твердий. Але залиште його на довгий час у спокої - і шматок розтечеться калюжею, яка буде так само колотися. Речовина астеносфери ще більш в'язке, ніж вар, але і вона здатна перетікати з одного місця в інше. Тільки дуже повільно.
Приблизно з двухсотпятідесятого кілометра глибини швидкість поширення сейсмічних хвиль знову починає рости. Тут вже тиск в надрах таке велике, що температура плавлення здавленого речовини підвищується. Речовина мантії поступово ущільнюється, і швидкості пружних коливань в ньому ростуть. Але ростуть повільно, ніби накопичують сили. Потім раптом різкий стрибок! Вчені вважають, що тут починається зона фазових переходів, про які я вам теж розповідав. Тут олівін перетворюється на більш тверду шпінель.
І знову з глибиною йде плавне наростання швидкостей до зони нового стрибка - другої зони фазових переходів. Може бути, там відбувається розпад силікатів на окисли. Ми вже згадували про стішовіт, можна уявити собі також ущільнені оксиди і інших елементів - заліза, алюмінію. А може бути, і навпаки, основні породообразующие мінерали оболонки Землі переходять у більш складні структури. Поки про це вчені сперечаються. Але далі, починаючи з глибин в сімсот кілометрів, швидкості поширення сейсмічних хвиль знову плавно наростають під впливом все збільшується тиск верхніх шарів. І так відбувається до самого кордону з ядром Землі.
Ядро - це зовсім особливе питання і абсолютно специфічна область земних надр.
Про ядрі і про наших сучасних уявленнях про нього я хотів би вам розповісти окремо.
З чого складається ядро Землі
Ідей про будову ядра Землі було висловлено безліч. Дмитро Іванович Соколов - російський геолог і академік - говорив, що речовини всередині Землі розподіляються, немов шлак і метал в плавильній печі.
Це образне порівняння не раз отримувало підтвердження. Вчені уважно вивчали прилітали з космосу залізні метеорити, вважаючи їх осколками ядра розпалася планети. Значить, і у Землі ядро має складатися з важкого заліза, що знаходиться в розплавленому стані.
У 1922 році норвезький геохімік Віктор Моріц Гольдшмідт висунув ідею загального розшарування речовини Землі ще в ту пору, коли вся планета перебувала в рідкому стані. Він це вивів по аналогії з металургійним процесом, вивченим на сталеливарних заводах. «У стадії рідкого розплаву, - говорив він, - речовина Землі розділилося на три змішуються рідини - силікатну, сульфідну і металеву. При подальшому охолодженні ці рідини утворили головні оболонки Землі - кору, мантію і залізне ядро! »
Однак ближче до нашого часу ідея «гарячого» походження нашої планети все більше поступалася «холодного» творінню. І в 1939 році човнярів запропонував іншу картину формування надр Землі. До цього часу вже була відома ідея фазових переходів речовини. Човнярів припустив, що фазові зміни речовини зі збільшенням глибини посилюються, в результаті чого речовина поділяється на оболонки. При цьому ядро зовсім не обов'язково має бути залізним. Воно може складатися з переущільнених силікатних порід, що знаходяться в «металевому» стані. Ця ідея була підхоплена і розвинена в 1948 році фінським вченим В. Рамзея. Виходило, що хоч ядро Землі і має іншу фізичний стан, ніж мантія, але причин вважати його складається саме із заліза немає ніяких. Адже переущільненої олівін міг бути настільки ж важким, як і метал ...
Так з'явилися дві виключають один одного гіпотези про склад ядра. Одна - розвинена на основі ідей Е. Віхерта про залізо-нікелевому сплаві з невеликими добавками легких елементів в якості матеріалу ядра Землі. І друга - запропонована В.М. Лодочніковим і розвинена В. Рамзея, яка говорить про те, що склад ядра не відрізняється від складу мантії, але речовина в ньому перебуває в особливо щільному металлизированном стані.
Щоб вирішити, на чию сторону повинна схилитися чаша ваг, вчені багатьох країн ставили в лабораторіях досліди і вважали, вважали, порівнюючи результати своїх розрахунків з тим, що показували сейсмічні дослідження і лабораторні експерименти.
У шістдесятих роках фахівці остаточно прийшли до висновку: гіпотеза металізації силікатів, при тисках і температурах, що панують в ядрі, не підтверджується! Більш того, пророблені дослідження переконливо доводили, що в центрі нашої планети повинно міститися не менше вісімдесяти відсотків усього запасу заліза ... Значить, все-таки ядро Землі - залізне? Залізне, та не зовсім. Чистий метал або чистий металевий сплав, стиснуті в центрі планети, були б дуже важкі для Землі. Отже, слід припустити, що речовина зовнішнього ядра складається з сполук заліза з більш легкими елементами - з киснем, алюмінієм, кремнієм або сіркою, які найбільше поширені в земній корі. Але з якими з них конкретно? Це невідомо.
І от російський вчений Олег Георгійович Сорохтін зробив нове дослідження. Спробуємо простежити у спрощеному вигляді хід його міркувань. Грунтуючись на останніх досягненнях геологічної науки, радянський вчений робить висновок, що в перший період утворення Земля була швидше за все більш-менш однорідною. Всі її речовина приблизно однаково розподілялося по всьому об'єму.
Проте з часом більш важкі елементи, наприклад залізо, стали опускатися, так би мовити, «тонути» у мантії, йдучи все глибше до центру планети. Якщо це так, то, порівнюючи молоді і старі гірські породи, можна в молодих очікувати менший вміст важких елементів, того ж заліза, широко розповсюдженого в речовині Землі.
Вивчення древніх лав підтвердило висловлене припущення. Проте чисто залізним ядро Землі бути не може. Для цього воно занадто легке.
Що ж стало супутником заліза на його шляху до центру? Вчений перепробував безліч елементів. Але одні погано розчинялися в розплаві, інші виявлялися несумісні. І тоді у Сорохтіна виникла думка: чи не був супутником заліза найпоширеніший елемент - кисень?
Щоправда, розрахунки показували, що з'єднання заліза з киснем - окис заліза - начебто залегка для ядра. Але ж в умовах стиснення і нагрівання в надрах окис заліза теж має зазнати фазові зміни. В умовах, що існують поблизу центру Землі, лише два атоми заліза здатні утримати один атом кисню. Значить, щільність отриманої окису стане більше ...
І знову розрахунки, розрахунки. Але зате яке задоволення, коли отриманий результат показав, що щільність і маса земного ядра, побудованого з окису заліза, зазнала фазові зміни, дає точно ту величину, яку вимагає сучасна модель ядра!
Ось вона - сучасна і, мабуть, найправдоподібніша за всю історію її пошуків модель нашої планети. «Зовнішнє ядро Землі складається з окису одновалентної фази заліза Fe 2 О, а внутрішнє ядро - з металевого заліза або сплаву заліза з нікелем, - пише у своїй книзі Олег Георгійович Сорохтін. - Перехідний шар F між внутрішнім і зовнішнім ядром можна вважати складається з сірчистого заліза - троілліта FeS ».
У створенні сучасної гіпотези про виділення ядра з первинної речовини Землі беруть участь багато видатних геологи і геофізики, океанологи і сейсмологи - представники буквально всіх галузей науки, що вивчає планету. Процеси тектонічного розвитку Землі, на думку вчених, будуть продовжуватися в надрах ще досить довго, принаймні попереду у нашої планети є ще пара мільярдів років. Лише після цього неозорого терміну Земля охолоне і перетвориться на мертве космічне тіло. Але що до цього часу буде? ..
Скільки років нараховує людство? Мільйон, два, ну, два з половиною. І за цей термін люди не тільки піднялися з четверенек, приручили вогонь і зрозуміли, як витягувати енергію з атома, вони послали людини в космос, автомати на інші планети Сонячної системи і освоїли ближній космос для технічних потреб.
Дослідження, а потім і використання глибоких надр власної планети - програма, яка вже стукає у двері наукового прогресу.
Література
1. Акі К., Річардс П. Кількісна сейсмологія. - М, 1983.
2. Буллен К. Введення в теоретичну сейсмологи. - М., 1966.
3. Джеффріс Г. Земля, її походження, історія та будова. - М., 1999.
4. Жарков В.М. Внутрішня будова Землі і планет. - М., 1983.
5. Магніцький В.А. Внутрішня будова і фізика Землі. - М., 2002.
6. Пузирьов М.М. Методи та об'єкти сейсмічних досліджень. - Новосибірськ, 1997.
7. Саваренський Є.Ф. Сейсмічні хвилі. - М., 2003.