Айзек Азимов - Вид с высоты
Первые точные сведения о недрах Земли были получены только в 1798 году, когда Генри Кавендиш впервые определил массу земного шара. Объем Земли был известен еще во времена древних греков. Разделив массу, определенную Кавендишем, на объем, мы получим среднюю плотность Земли, которая равна 5,52 грамма на кубический сантиметр. Но ведь плотность земной коры равна примерно 2,8 грамма на кубический сантиметр, а это значит, что с глубиной плотность повышается. И в самом деле, плотность ее глубинных недр должна быть куда больше, чем 5,52 грамма на кубический сантиметр, чтобы компенсировать меньшую, чем средняя, плотность поверхностных слоев.
Само по себе это нисколько не опровергает теории, что Земля — каменный шар, так как с глубиной давление, по-видимому, должно расти; вышележащие слои давят на нижние, и это давление увеличивается к центру Земли, где оно составляет примерно 3 500 000 атмосфер. Порода, которая имела на поверхности плотность 2,8 грамма на кубический сантиметр, будет раздавлена «в лепешку», и в центре Земли плотность ее составит 12 граммов на кубический сантиметр.
Изучение землетрясений позволяет получать более подробные сведения о глубинных недрах Земли. К 1900 году Землю стали опоясывать сетью сейсмических станций, оборудованных приборами для изучения колебаний, сотрясающих тело планеты вследствие подземных толчков.
Существует два главных типа сейсмических волн: Р (первичные) и S (вторичные). Р — это продольные чередующиеся волны сжатия и расширения, напоминающие звуковые волны. S — это поперечные волны; они похожи на извивы змей и ассоциируются у нас с волнами на воде. Продольные сейсмические волны распространяются быстрее, чем поперечные, и первыми достигают сейсмической станции. Чем дальше станция от места землетрясения, тем дольше будет промежуток времени между приходом продольных и поперечных волн. Для точного определения места (эпицентра) землетрясения достаточно, чтобы его зарегистрировали три работающие совместно станции, которые используют упомянутую разницу во времени.
Зная, где находятся и эпицентр и станция, можно проследить весь путь волн сквозь толщу Земли. Чем больше расстояние между местом землетрясения и сейсмической станцией, тем глубже поступающие волны проникают в Землю. Если бы Земля была всюду одинаково плотна и тверда, то волны пришли бы на станцию, затратив на это время, пропорциональное расстоянию от эпицентра.
В действительности плотность и твердость пород, из которых сложена Земля, с глубиной меняются. Лабораторные опыты с различными породами показали, как меняется скорость распространения двух типов волн в зависимости от плотности и твердости различных пород при разных температурах и давлениях. Эти данные можно экстраполировать на те температуры и давления, которые господствуют в недрах Земли, но не поддаются воссозданию в лабораторных условиях[12]. Это считается рискованным делом (как и всякая экстраполяция), но геологи уверены, что они могут истолковывать действительную скорость распространения сейсмических волн на данной глубине и определять плотность находящихся там пород.
Оказывается, плотность Земли повышается довольно медленно и постепенно — с 2,8 грамма на кубический сантиметр на поверхности до 5,9 грамма на кубический сантиметр на глубине примерно 3450 километров.
А затем вдруг происходит резкий скачок. Об этом можно судить по поведению сейсмических волн. Сначала волны распространяются по областям, где с глубиной плотность повышается, а затем возвращаются к поверхности по тем областям, где эта плотность убывает, и по пути меняют направление и рассеиваются, подобно тому как рассеивается свет, проходя сквозь слой воздуха с меняющейся плотностью. Пока плотность изменяется постепенно, направление движения волн тоже меняется постепенно, и изгиб получается ровный. Именно так происходит, пока волны не достигнут глубины 3450 километров.
Представьте себе, что сейсмическая станция расположена на таком расстоянии от места землетрясения, что волны, возникшие от подземного толчка, проникают на указанную глубину. Все станции, находящиеся между нашей станцией и эпицентром, тоже принимают волны, проникающие вглубь на различные расстояния, но не достигающие 3450 километров.
Станция, которая расположена несколько дальше от эпицентра землетрясения, чем наша, по-видимому, должна зарегистрировать волны, проникающие на глубину больше 3450 километров, но она не отмечает их совсем. А станции, находящиеся еще дальше, на 1500 километров и более, четко регистрируют волны, хотя расстояние между ними и эпицентром землетрясения гораздо больше.
Короче говоря, на земной поверхности получаются районы («мертвые зоны»), напоминающие баранки, в центре дырок которых находятся эпицентры. В самой «баранке» волны не ощущаются. Это объясняется тем, что любая волна, проникающая на глубину более 3450 километров, вдруг резко меняет направление и минует «мертвую зону». Единственной причиной такого резкого изменения направления может быть неожиданно резкое изменение плотности.
Анализ времени прибытия волны в районы вне мертвой зоны показывает, что плотность резко увеличивается — с 5,9 до 9,5 грамма на кубический сантиметр. Ниже 3450 километров плотность с глубиной продолжает по-степенно расти, достигая примерно 12 граммов на кубический сантиметр в центре Земли.
Все это относится только к продольным сейсмическим волнам. Поведение поперечных волн более загадочно. Когда поперечные волны проникают на глубину более 3450 километров, они не просто меняют направление, а исчезают вовсе. Логичнее всего объяснить это так: продольные волны, в том числе и продольные сейсмические волны, могут распространяться в жидкости, а поперечные волны, в том числе и сейсмические, не могут. Следовательно, область Земли ниже 3450 километров должна быть жидкой.
На основе данных, полученных в результате изучения поведения сейсмических волн, мы можем считать, что Земля состоит из жидкого «ядра», имеющего радиус около 2900 километров и окруженного твердой мантией толщиной 3450 километров. Резкое разграничение между этими двумя главными частями впервые было продемонстрировано в работе американского геолога Бено Гутенберга в 1914 году, и поэтому оно названо «разделом Гутенберга».
В 1909 году сербский геолог Андрий Мохоровичич открыл неожиданное изменение в скорости сейсмических волн примерно на глубине 30 километров. Этот скачок скорости был назван «разделом Мохоровичича», который позже для простоты стали называть Мохо. Теперь общепринято, что Мохо — это граница, отделяющая мантию от находящейся поверх нее «земной коры».
Подробное изучение Мохо показало, что этот раздел находится на разных глубинах. Под береговыми районами суши глубина его равна примерно 30 километрам (например, под Нью-Йорком 35 километрам), но под горными районами он уходит вглубь до 60 километров. (Так как земная кора легче мантии, то можно сказать, что горы потому являются горами, что здесь имеется необычное скопление легкой коры, которая плавает, неглубоко погружаясь в мантию.)
И, наоборот, Мохо подходит довольно близко к поверхности в некоторых частях плотного океанского дна, которое глубже погружается в мантию, поскольку оно относительно тяжелее земной коры. В некоторых местах от уровня моря до Мохо всего 12–16 километров. Это особенно интересно, так как сам океан местами имеет глубину 8–10 километров, а пробурить воду совсем нетрудно. Если правильно выбрать место в океане, то останется пробурить только 5 километров твердых пород, которые фактически отделяют нас от Мохо.
Один из проектов скважины, которую предполагается бурить до мантии, как вы теперь понимаете, следует назвать Мохол[13] (лучше не придумаешь!).
Если мы хотим выяснить, из чего состоит Земля, то нам, в сущности, достаточно рассмотреть состав ядра и мантии. На ядро приходится 1/6 объема Земли, но, так как оно имеет сравнительно высокую плотность, масса его равна 1/3 массы планеты. Остальные 2/3 принадлежат мантии. Земная кора составляет всего лишь 1/250 от общей массы Земли, а гидросфера с атмосферой — и того меньше. Оказывается, мы можем совершенно не принимать во внимание именно те области Земли, о которых у нас есть прямые данные.
Из чего же состоят мантия и ядро? Плотность и другие свойства мантии мало отличаются от свойств коры, и поэтому общепризнано, что она должна быть в основном силикатной. Лабораторные опыты показывают, что при высоких давлениях колебания распространяются в минерале оливине (силикат магния и железа) с теми же скоростями, с какими в мантии распространяются сейсмические волны. Создается впечатление, что мантия отличается от земной коры большей однородностью, большим содержанием магния и меньшим содержанием алюминия.
