Не имея прямой информации о глубинах Земли, приходится пользоваться данными, которые дают геофизические методы исследования. Несомненно, что самая полезная информация о внутреннем строении Земли получена в результате исследований сейсмических волн, возникающих при землетрясениях и идущих сквозь толщу Земли. Очевидно, что крупные землетрясения освобождают огромные количества энергии, которая распространяется сквозь Землю в виде звуковых (сейсмических) волн.
Их можно записать с помощью чувствительных приборов (сейсмографов) в очень удаленных частях земной поверхности, подобно тому как, ударив молотком по концу стола, мы можем почувствовать вибрации на другом конце. Размах и ширина колебаний, которые чертит перо сейсмографа на движущейся бумаге (или луч света на движущейся фотопленке), являются реакцией прибора на колебания земной коры. Подробности интерпретации записей сейсмических колебаний довольно сложны, и мы не будем их здесь рассматривать. Тем не менее, конечным результатом многолетней работы по записи и интерпретации сигналов от землетрясений на разбросанных по всей поверхности Земли сейсмических станциях является определение средней скорости прохождения сейсмических волн через различные части Земли. Поскольку скорость прохождения сейсмических волн прямо связана с плотностью различных сред, через которые они проходят, геофизики смогли рассчитать плотности различных частей Земли и на их основе сделать выводы о минеральном составе этих частей. Эти данные показали, что Земля имеет слоистое строение (рис. 1.2) и что главные оболочки Земли имеют различные плотности и химический состав. Хотя на рис. 1.2 приведена упрощенная картина строения Земли, видно, что химический состав главных оболочек различен. Это крайне важно для познания ранней истории нашей планеты, поскольку большинство ученых считает, что эти ныне разделенные компоненты в первоначальный период формирования Земли были перемешаны в более или менее однородную массу. Насколько можно судить по имеющимся данным, другие подобные Земле планеты (Меркурий, Венера и Марс) так же, как и Луна, подверглись глобальной химической дифференциации. В большей части этой книги рассматриваются процессы, происходящие на поверхности или внутри земной коры, то есть самой верхней из твердых оболочек Земли. Достаточно беглого взгляда на рис. 1.1, чтобы увидеть, что объем земной коры совершенно незначителен по сравнению с другими оболочками планеты. Это только тонкая кожица на поверхности Земли толщиной всего 5-6 километров под океанами и от 30 до 40 километров на континентах. Если бы Землю можно было пропорционально сжать до размеров яблока, то самые толстые части земной коры едва достигли бы в этом масштабе толщины кожицы. Но все равно именно кора содержит месторождения минералов, именно на ней возникла жизнь и именно на ней мы живем. Это наиболее известная нам часть планеты, поскольку ее можно изучать, анализировать и измерять. Она возникла за долгий геологический период в результате плавления внутренних частей Земли и переноса кипящих жидкостей к поверхности.
Граница между земной корой и лежащей ниже оболочкой — мантией — отмечается резким возрастанием скорости сейсмических волн, отражающим переход к более плотным породам глубин Земли. Породы мантии богаче железом и магнием по сравнению с корой и беднее более легкими элементами, такими как алюминий. Это установлено как на основании сейсмических исследований, так и по реальным образцам пород. Но как же можно получить образцы пород из мантии, если даже самые глубокие буровые скважины не проникают сквозь всю земную кору? Оказалось, что природа нам помогла — есть несколько мест на Земле, где вулканические лавы, образовавшиеся в мантии, захватили с собой обломки таких пород и вынесли их на поверхность. Благодаря этому в числе прочего мы (по крайней мере некоторые из нас) можем носить украшения из бриллиантов. Бриллианты — это одна из форм углерода, являющегося также главной составной частью каменного угля — не очень популярного материала для украшений. Тем не менее при высоких давлениях, существующих в мантии, обычный каменный уголь превращается в алмазы, из которых изготавливают и бриллианты. Необходимое для этого давление начинается на глубинах порядка 200 километров; алмазы Южной Африки, да и других месторождений, были вынесены на поверхность вулканическими магмами, которые образовались по меньшей мере на такой глубине. Конечно, тот факт, что алмазы находят в горных породах, происходящих из мантии, отнюдь не означает, что внутренность Земли состоит из алмазов, — сами алмазы в породах, происходящих из мантии, встречаются редко, но именно твердые обломки пород, в которых изредка находят алмазы, дают нам ключи к выяснению состава мантии.
Рис. 1.2 показывает, что тектонические плиты, слагающие земную поверхность, включают как кору, так и материал мантии. Их основание не отмечено сменой типов пород, скорее, оно представляет собой физическую границу, ниже которой скорость сейсмических волн резко снижается. Считается, что эта граница соответствует той глубине, на которой породы мантии ближе всего к своей точке плавления и, в силу возросшей температуры и высокого давления, ведут себя пластически, позволяя верхней жесткой плите медленно перемещаться по нижней конвектирующей мантии. Жесткая внешняя часть Земли, состоящая из плит, изучаемых тектоникой плит, получила в науке название «литосфера» — от греческого слова «литое», означающего камень или горную породу.
Масса мантии составляет около двух третей всей массы Земли. Эта оболочка Земли подразделяется на основании некоторых тонкостей распределения скоростей сейсмических волн на две части — внутреннюю и внешнюю. Внутри нее располагается ядро Земли, которое включает остающуюся треть общей массы Земли и состоит, как уже указывалось, в основном из железа. На границе между ядром и мантией отмечается резкий скачок скорости распространения сейсмических волн, отражающей смену вещественного состава от пород мантии к металлу ядра. Некоторые типы волн не распространяются через жидкие среды. Установлено, что они не проходят через внешнюю часть ядра, указывая тем самым на его жидкое состояние. Однако внутренняя часть ядра является твердой.
Никто не знает в подробностях, как образовалась наша Земля. Тем не менее, исходя из того, что нам уже известно, и экстраполируя эти данные на прошлое, можно построить вполне приемлемый сценарий развития событий. Мы знаем, что Вселенная гораздо старше Земли и что большая часть атомов, ныне составляющих воздух, которым мы дышим, камни (или асфальт), по которым мы ходим, как и все остальное на Земле, были когда-то ядрами элементов в глубинах звезд. Некоторые из самых тяжелых элементов, такие как золото, свинец или уран, образовались во время грандиозных взрывов сверхновых звезд, которыми заканчивалась их эволюция; при этом в межзвездное пространство выбрасывалась огромная масса вещества. Мы знаем, что в конце концов вещество, слагающее сейчас Землю, станет частью большого газопылевого облака, весьма похожего нате, которые астрономы наблюдают в других частях нашей галактики.
По пока еще не ясным причинам это облако около 4,5 миллиардов лет назад начало сжиматься. По мере сжатия центральные его части уплотнялись и разогревались, подобно тому, как разогревается сжатый воздух в велосипедном насосе. В самом центре этого сжимающегося облака, где температура и давления были максимальны, начались ядерные реакции, которые и сейчас поддерживают жизнь Солнца. Солнце, ближайшая к нам звезда, содержит около 99,9 процента всего вещества солнечной системы; планеты и астероиды являются остатками первоначального облака. По крайней мере в самом центре солнечной системы, где находится наша Земля, температура при образовании Солнца была столь высока, что любые ранее существовавшие зерна, вероятно, целиком испарились и большая часть этих остатков первоначального облака находилась в газовой форме. По мере охлаждения этого раскаленного облака газ начал конденсироваться, образуя твердые зерна минералов, которые, слипаясь, постепенно образовали более крупные тела. Одни тела росли быстро, поглощая все, что встречалось им на пути во время их путешествия по орбите вокруг первоначального Солнца, другие разрушались во время грандиозных столкновений крупных обломков. Процесс разрастания (аккреции) Земли за счет захвата пыли и обломков из окружающего пространства в начальный период происходил очень бурно, и непрерывный дождь падающих тел должен был привести к ее значительному нагреванию. Хотя первоначальная смесь веществ могла быть довольно однородной в большом масштабе, разогрев Земли вследствие гравитационного сжатия и бомбардировки ее обломками приводили к расплавлению, и возникавшие жидкости отделялись от оставшихся твердыми частей смеси под воздействием силы тяжести. В частности, железо, которое плавится при несколько меньшей температуре, чем многие другие вещества Земли, должно было выплавиться раньше и в силу своей большей плотности быстро погрузиться в глубину земли, образовав там ядро.
