Георгий Горшков - Строение земного шара
В направлении от верхней границы перидотитовой оболочки к нижней скорость упругих колебаний снова растет, причем постепенно: от 7,9 до 11,7 км/сек для продольных волн и от 4,4 до 6,5 км/сек для поперечных. Плотность вещества также изменяется — от 3,3 до 4,5.
На глубине 1200 км, а также на глубинах 1700 и 2400 км, снова имеются поверхности раздела, но они отличаются от поверхности Мохоровичича тем, что изменение упругих свойств вещества здесь происходит нерезко — изменяется лишь темп роста скорости. Такие поверхности носят наименование «поверхностей раздела второго рода». Скорость продольных волн, пересекающих слой от 1200 до 2900 километров глубины, изменяется от 11,7 км/сек до 13,6 км/сек. Плотность вещества у нижней границы данного слоя достигает приблизительно 6,0. Этот слой, заключенный между глубинами 1200–2900 км, чаще всего именуется «промежуточным слоем» или «промежуточной оболочкой».
Новая резкая поверхность раздела обнаруживается на глубине 2900 км; это снова «поверхность раздела первого рода». Здесь совершенно неожиданно скорость упругих колебаний (продольных), достигающих этих глубин при сильных землетрясениях и проходящих еще далее вглубь, внезапно падает с 13,6 до 8,1 км/сек. После того как волны прошли эту границу, скорость их снова начинает расти, медленно и постепенно увеличиваясь от 8,1 км/сек на уровне 2900 км до 11,3 в центре Земли. Поперечные же волны, судя по всем данным, вообще не проходят глубже 2900 км (рис. 6).
Рис. 6. Изменение скоростей продольных (Р) и поперечных (S) волн внутри Земли.
Что же происходит на границе, залегающей на глубине 2900 км, границе, которая, как считают, отделяет «промежуточную оболочку» от «ядра» Земли? Почему так меняются упругие свойства вещества? Трудно дать окончательный ответ, но скорее всего дело заключается в резком изменении плотности пород (при переходе через эту границу), скажем, с 6 до 10. Такое резкое изменение может быть вызвано либо изменением состава «ядра» по сравнению с составом «оболочки», либо изменением свойств вещества «ядра», испытывающего огромное давление всей толщи пород, лежащих выше (рис. 7).
Рис. 7. Строение земного шара.
В последнее время появляются основания говорить о наличии еще нескольких поверхностей раздела (кроме уже упомянутых) на глубинах 900, 1800, 5800 км и др. Наличие подобных границ, или, по крайней мере, основных из них, таких, как подошва сиалической оболочки или граница ядра, сомнений не вызывает. Что же касается соображений о минералогическом составе оболочек и их агрегатном состоянии, то здесь, к сожалению, еще слишком много неясного. Прежде всего, нам мало известно, как изменяется внутри Земли температура и как влияет на свойства вещества одновременное воздействие высокой температуры и высокого давления.
Перейдем к рассмотрению этих вопросов.
5. Температура и давление внутри Земли
Чтобы рассчитать, каких значений достигает давление внутри Земли, вызванное весом горных пород, слагающих различные оболочки, нужно знать плотность пород на всех глубинах и величину силы тяжести также на всех глубинах вплоть до центра.
Как мы видели, плотность пород с глубиною растет, хотя и неравномерно. От 2,5 на поверхности она доходит до 3,4 на глубине около 100 км и до 6,0 на уровне 2900 км ниже поверхности. Здесь, на границе ядра, в величине плотности наблюдается скачок: она сразу достигает значения 9,5 (приблизительно), а далее снова растет равномерно, доходя в центре ядра до 12,5 (по М. С. Молоденскому, 1955) (см. рис. 8).
Рис. 8. Изменение плотности внутри Земли.
Что касается силы тяжести, то о ней можно сказать следующее. Сила тяжести — сила, с которой Земля притягивает к себе все тела. Под влиянием этой силы тела, находящиеся в свободном состоянии (например, в воздухе), падают на Землю, т. е. движутся по направлению к центру Земли, постепенно убыстряясь, т. е. получая «ускорение». Величину «ускорения силы тяжести» можно вычислить. На поверхности Земли ускорение силы тяжести равно приблизительно 9,8 м/сек2; в глубине Земли оно сначала немного возрастает, достигая максимума близ поверхности ядра, а затем быстро падает, доходя в центре Земли до нуля (рис. 9). Это понятно: точка, находящаяся в центре земного шара, притягивается всеми окружающими ее частями, с одинаковой силой по всем радиусам, а в итоге равнодействующая будет равна нулю.
Рис. 9. Изменение ускорения силы тяжести внутри Земли.
Обладая указанными сведениями, мы можем вычислить вес столбика пород с поперечным сечением, равным 1 кв. сантиметру, и длиной, равной радиусу Земли или любой его части. Это и будет давление, оказываемое весом вышележащих пород на элементарную площадку (1 кв. см)в глубине Земли. Расчеты приводят к следующим цифрам: у «подошвы» земной коры, т. е. у основания сиалической оболочки (на глубине 50 км) — около 13 тыс. атмосфер, т. е. около 13 тонн на квадратный сантиметр; на границе ядра — около 1,4 миллиона атмосфер; в центре Земли — около 3 млн. атмосфер (рис. 10). Три миллиона атмосфер — это приблизительно три тысячи тонн на квадратный сантиметр. Это — огромная величина. Ни в одной лаборатории достичь таких давлений пока не удалось.
Рис. 10. Изменения давления внутри Земли.
Перейдем к температуре. По данным измерений в буровых скважинах, а также в шахтах, выяснено, что с глубиной температура растет, поднимаясь приблизительно на 3° на протяжении каждых 100 метров. Подобный темп роста температуры сохраняется всюду, на всех материках, но лишь в наружных частях Земли, близ самой ее поверхности. С глубиной величина «геотермического градиента» (геотермический градиент — изменение температуры в градусах на каждый сантиметр) падает. Вычисления, основанные на учете теплопроводности горных пород, показывают, что геотермический градиент, известный для наружных частей земного шара, сохраняется не далее, чем на протяжении первых 20 км; ниже рост температуры заметно замедляется. У подошвы сиалической оболочки вряд ли температура будет выше 900°; на глубине 100 км — около 1500°; дальше рост ее еще более замедляется. Что касается центральных частей Земли, в частности ядра, то с достоверностью о них оказать что-либо очень трудно. Специалисты, изучавшие этот вопрос, полагают, что недра Земли нагреты не выше, чем на 2–3 тысячи градусов (рис. 11).
Рис. 11. Изменение температуры внутри Земли.
Может быть, интересно для сравнения напомнить, что в центре Солнца температура оценивается в 1 миллион градусов, на поверхности Солнца — около 6000°. Волосок горящей электрической лампочки накален до 3000°.
Интересные данные имеются по вопросу об источниках тепла и тепловом режиме земного шара. Когда-то считалось, что Земля сохраняет в себе «первозданное» тепло, оставленное ей «в наследство» Солнцем, и постепенно теряет его, остывая и сокращаясь в объеме. Открытие радиоактивных элементов изменило прежние представления. Оказалось, что породы, слагающие земную кору, содержат радиоактивные элементы, которые самопроизвольно и непрерывно выделяют тепло. Количество этого тепла оценивается приблизительно в 6 миллионных долей малой калории на 1 кубический сантиметр породы в год, а для того, чтобы покрыть весь расход тепла, излучаемого земной поверхностью в мировое пространство, нужно, чтобы такой же элементарный кубик породы выделял всего лишь три десятимиллионные части малой калории в год. Другими словами, нет никаких оснований полагать, что земной шар остывает. Скорее, наоборот, он может разогреваться. На этом основании в последние годы предложены новые гипотезы развития земной коры и происхождения движений, испытываемых ею.
Учитывая наличие высокой температуры в недрах Земли, мы вправе поставить такой вопрос: в каком же физическом («агрегатном») состоянии находятся внутренние части Земли? В твердом или жидком, или, быть может, газообразном?
Последняя версия, т. е. представление о газообразном состоянии вещества внутри Земли, может быть сразу отклонена. Чтобы превратить в газ минералы, слагающие Землю, нужна гораздо более высокая температура, чем та, которая допустима, судя по изложенным выше данным.
Но в жидком состоянии породы могут оказаться. Известно, например, что «кислые» породы плавятся при 1000°, «основные» — при 1000–1200°, «ультраосновные» — при 1300–1400°. Это значит, что уже на глубине 100–130 км породы должны бы расплавиться. Но там очень высокое давление, а давление повышает температуру плавления. Чье же влияние окажется бóльшим: высокой температуры или высокого давления?
