Структура Земли

1. Современные представления о внутреннем строении Земли
Основными данными о строении внутренних частей Земли являются в настоящее время результаты наблюдений за временами пробега различного рода сейсмических волн, периоды собственных колебаний Земли, которые наблюдаются при сильных землетрясениях, результаты наблюдений за вариациями магнитного поля Земли, результаты наблюдений за движением искусственных спутников, гравиметрические, геотермические измерения. Кроме того, для изучения строения и путей развития верхних частей Земли огромный материал дают результаты различного рода геологических, геохимических, географических наблюдений, а также данные вулканологии и геодезии.
На основании результатов вышеперечисленных наблюдений внутренние части Земли подразделяются на следующие оболочки: слой А, или кора, слой В и слой С, которые образуют верхнюю мантию Земли (слой С называете еще переходным слоем), слой D, или нижняя мантия Земли. Все эти слои находятся в эффективно твердом состоянии, а слой В содержит везде или в ряде крупных регионов прослойку с пониженными скоростями сейсмических волн. Земная кора имеет в различных районах разную толщину, меняющуюся от 5 до 80 км (в горных районах). Слой В заканчивается на глубине около 400 км, слой С занимает область глубин от 400 до 900 км, глубже идет слой D до глубин 2900 км. Глубже 2900 км лежит ядро Земли, или слой Е. Этот слой находится в жидком состоянии и заканчивается на глубине около 5000 км. Глубже и до самого центра Земли лежит внутреннее ядро, находящееся опять в эффективно твердом состоянии. Следует отметить резкое повышение электропроводности при переходе к нижней мантии и к ядру.

Данные о скоростях сейсмических волн позволяют поставить вопрос и об изменении плотности внутри Земли. Кроме данных о скоростях при этом используются данные о массе Земли, о моменте инерции Земли, о плотности горных пород самых верхних слоев и, в последнее время, данные о собственных колебаниях Земли и о скоростях длиннопериодных поверхностных волн. Этих данных пока недостаточно для установления в среднем для Земли однозначного закона распределения плотности, но различие между разными вариантами очень невелико. Основное ограничение на выбор закона плотности дают масса и момент инерции Земли. Пользуясь этими данными и скоростями сейсмических волн, были получены верхний и нижний пределы плотности в недрах Земли[1], показанные пунктиром на рис. 1. К сожалению, эти пределы не совсем твердые, так как они вычислены в предположении адиабатического хода температуры и при значении относительного момента инерции I = 0,3336, полученном из гравиметрических данных. Новое, наиболее точное значение I = 0,33089, оно получено по данным о движении искусственных спутников[2]. Однако учет этих новых данных вряд ли сильно изменит пределы.
На рис. 1 сплошной кривой нанесен закон изменения плотности, получивший название «модель Гутенберга — Буллена А»; этот закон считается сейчас наиболее близким к истине, так как он удовлетворяет наибольшему числу наблюдательных данных[3]. Однако этот закон подлежит некоторым небольшим поправкам, так как он тоже вычислен при старом значении I и, кроме того, можно получить модель, лучше удовлетворяющую данным о собственных колебаниях Земли. В качестве крайнего примера, говорящего, как могут повлиять эти данные, на рис. 1 линейным пунктиром приведена плотность, полученная с новым значением / и хорошо удовлетворяющая всем периодам собственных колебаний, как они сейчас известны. Однако эта модель вызывает сильные сомнения с физической точки зрения. Она требует, начиная с глубины 1600 км, наличия огромного сверхадиабатического градиента температуры и требует удаления атомов железа из этой зоны в значительной степени путем диффузии в ядро. И то и другое физически представляется крайне невероятным[4]. Однако если последняя модель в будущем все же подтвердится, то перед нами встанут большие проблемы физического и космогонического порядка, так как современные взгляды по этому вопросу не объясняют такого хода плотности.
Как видно из рис. 1, в любом случае возможные изменения плотности не велики. Если плотность известна, то по скоростям сейсмических волн можно определить и упругие свойства Земли. Так как поперечные волны не проходят через жидкость, то вся Земля находится в эффективно твердом состоянии за исключением ядра, которое обладает свойствами жидкости. Жидкое состояние ядра доказывается и недавно открытым явлением нутации земной оси с периодом около суток. Такая нутация возможна только при наличии жидкого ядра. Что касается упругих коэффициентов коры и мантии Земли, то они очень велики, больше, чем у лучших сортов легированных сталей. По плотности можно довольно уверенно определить давление и силу тяжести внутри Земли.
Давление на глубине 30—40 км достигает 10 000 атм, на глубине 300 км — 100 000 атм, на границе ядра 1,5 млн. атм, в центре Земли около 3,5 млн. атм. Сила тяжести в мантии почти постоянна, от границы ядра равномерно убывает к центру до нуля[5]. Из механических свойств Земли наименее изучена вязкость, она будет рассмотрена особо.
Если механические свойства земных недр известны в общем довольно хорошо, то гораздо хуже обстоит дело с температурой. Нам известен средний тепловой поток из недр Земли порядка 1,5 ∙ 10—6кал/см2 ∙ сек, известно содержание радиоактивных элементов, генерирующих тепло, в горных породах вблизи поверхности Земли и в метеоритах, известны температуры вулканических лав и глубина их зарождения. Кроме того, может быть вычислен ход адиабатической температуры с глубиной и ход кривой плавления, что в сочетании с жидким — расплавленным состоянием ядра дает некоторые сведения о температуре таких глубин. По-видимому, температура на глубине 100 км близка к точке плавления, что доказывается наличием очагов питания вулканов на этих глубинах. Следовательно, здесь можно ожидать температуры от 1000 до 1500° С. К границе ядра температура поднимается до 3000—4000° С. Рост температуры в ядре, видимо, незначителен.
Сразу отметим, что вопрос о тепловой истории Земли еще очень неясен. Это объясняется главным образом неясностями, связанными с начальным этапом развития планеты, и в еще большей мере неопределенностью в вопросе о распределении и количестве источников тепла внутри Земли, неуверенностью в величинах теплофизических констант. В разных вариантах можно получить почти любой ответ, Земля может и остывать и нагреваться, или ее верхние части могут остывать, а глубокие нагреваться[6]. В этом вопросе в настоящее время, по-видимому, следует исходить не столько из формальных расчетов, сколько из других, косвенных соображений.
2. Земная кора
Самая наружная из оболочек земного шара — земная кора изучена наиболее полно. Строение коры, законы ее развития в области, занятой континентами, изучены в настоящее время очень подробно. Однако земная кора под водами морей и океанов, т. е. на 3/4 земной поверхности, почти не исследована, это касается и глубинных частей коры континентов. Таким образом, говорить о закономерностях развития земной коры в целом как самой внешней оболочки Земли, развитие которой отражает развитие всей Земли и строение которой связано со строением и развитием Земли как планеты, можно в значительной мере только гипотетически. Что это действительно так, следует из огромного числа существующих геотектонических гипотез, часто прямо противоположного характера. Все это указывает на очевидный недостаток фактических данных[7]. Вопрос этот настолько сложен и требует знания такого широкого круга данных геологии и других дисциплин, что рассмотрение его в рамках настоящей статьи невозможно. Поэтому здесь будут изложены лишь самые общие сведения о строении крупных частей земной коры, как это следует из данных геофизики, геохимии и геологии и в той мере, в какой это необходимо для выяснения структуры земного шара в целом, для установления основных связей, основных взаимодействий различных оболочек Земли.
Понятие земной коры возникло естественным образом на том этапе развития науки, когда недра Земли представлялись расплавленными и только сверху слегка прикрытыми твердой коркой. В настоящее время, когда известно, что до границы ядра вещество Земли находится в эффективно твердом состоянии, такой подход к определению коры уже недействителен. Однако понятие коры Земли, как самой наружной оболочки, отделенной от ее более глубоких частей достаточно хорошо выраженной границей и отличающейся от нижележащей мантии более сложной структурой, для которой характерно сильное отличие в строении не только по вертикали, но и в горизонтальном направлении от района к району, это понятие сохраняется, и не только в силу удобства. Кора действительно отличается от остальных оболочек тем, что она моложе их, выделилась из них уже в процессе развития Земли и прошла очень сложный и своеобразный путь развития, что и запечатлелось в ее сложной, своеобразной структуре.
Большинство исследователей определяет кору Земли как ее самую внешнюю оболочку, отделенную от мантии четкой сейсмической границей, на которой скорости продольных сейсмических волн возрастают скачком до значений около 8 км/сек. Эта нижняя граница коры известна как граница или поверхность раздела Мохоровичича, или просто граница М. Конечно, такое определение имеет свои недостатки и вносит некоторую неопределенность, так как есть места, где граница М выражена очень нечетко или вообще переход к мантии носит диффузный характер. Не всегда ясно, куда, например, отнести слой, характеризующийся значением скорости волн 7,7 км/сек. Однако другие определения, в том числе предложение считать корой внешнюю кристаллическую оболочку, в отличие от аморфной нижележащей среды, еще хуже, так как, например, никто не доказал, что существует такой аморфный слой, хотя вероятность его существования, если и не повсеместно, велика.
В настоящее время установлено существование двух главных типов земной коры: континентального и океанического. Кроме них существуют несколько переходных типов, однако они изучены гораздо хуже.
Континентальный тип коры распространен повсеместно на больших пространствах континентальных равнин или районов с несильно нарушенным рельефом. Для этого типа коры характерны: толщина от 25 до 40 км, причем обычно чем более приподнята местность над уровнем моря, тем больше толщина; наличие в коре нескольких слоев. Верхний слой слагается обычно горными породами осадочного происхождения, мало измененными, лежащими приблизительно горизонтально (встречающиеся более сильные нарушения не часты и обычно занимают сравнительно небольшие площади). Мощность осадочного чехла варьирует от нескольких километров до практически нуля. Магматизм, вулканические явления развиты очень слабо, хотя встречаются довольно обширные области, покрытые довольно мощными излияниями магмы базальтового состава, так называемые плато-базальты или траппы. Примером могут быть траппы Сибири и Индии.
Кора под осадочным чехлом состоит из двух основных слоев (фактически их больше и в разных местах разное количество): верхний слой состоит из пород, близких к гранитам, и поэтому называется гранитным слоем; нижний слой состоит из пород, которые обладают скоростями сейсмических волн и плотностью близкими к тем, которые характерны для базальтов, поэтому этот слой условно называется базальтовым. Однако о реальном петрографическом составе этого слоя в сущности ничего не известно.
Земная кора океанов устроена, видимо, проще. На обширных участках дна с глубинами более 4 км она имеет толщину всего 5—10 км. Верхний слой состоит из океанических рыхлых осадков (ил) толщиной в среднем около 0,5 км, затем идет тонкий слой, видимо, затвердевших осадков и вулканических пород и, наконец, слой, который по скоростям сейсмических волн близок к «базальтовому» слою континентов. Кроме отмеченных двух главных типов коры, существуют и некоторые другие, которые, однако, менее распространены[8].
3. Подкоровая среда
Непосредственно под корой лежит верхняя мантия Земли или, точнее, слой В. Вопрос о составе верхней мантии, о природе границы с земной корой, о характере взаимодействия коры и мантии является одним из важнейших в современной науке о Земле. Это объясняется тем, что, как недавно показано экспериментально, земная кора выделилась из мантии путем своеобразного процесса зонной плавки[9]. Процесс поступления веществ из мантии продолжается, как это показывает магматическая деятельность Земли. Продолжаются и все процессы активного взаимодействия мантии с корой, вызывающие вертикальные и горизонтальные движения коры, землетрясения, формирование рельефа земной поверхности, формирование залежей полезных ископаемых.
Источник этих процессов, как мы знаем, лежит в мантии. То, что активные процессы захватывают значительные глубины, доказывается тем, что очаги землетрясений расположены до глубин в 700 км. Чем выше сейсмическая активность района, тем более четко и интенсивно выражены в этом районе все тектонические и магматические процессы[10].
Сейчас почти общепринято, что первоначальный состав мантии был близок к составу хондритовых метеоритов[11]. Зонная плавка этого вещества должна была привести к созданию земной коры. Но кора на континентах гораздо толще, чем под океанами, и имеет несколько иной состав. Можно полагать, что процесс выплавления продвинулся под континентами гораздо дальше, чем под океанами. Если так, то мантия должна быть неоднородна в горизонтальном направлении. Последние исследования теплового потока, гравитационного поля, скоростей сейсмических волн, земных приливов подтверждают это предположение[12]. Таким образом, граница между выделившейся корой и мантией должна быть границей раздела слоев разного химического и минералогического состава. Однако далеко не очевидно, что именно граница М и является всюду такой поверхностью раздела.
Высказывается мнение, что граница М везде, или только под континентами, является границей фазового перехода, т. е. вещество верхней мантии отличается от нижних слоев коры не составом, а состоянием вещества[13]. Это предположение основано на следующих соображениях. Если температура и давление под корой достигают значений, при которых некоторые минералы коры переходят в более плотную модификацию, то незачем прибегать к гипотезе изменения химического состава для объяснения границы М. На рис. 2 приведены кривые перехода для различных минералов под действием давления и температуры, полученные экспериментально в лаборатории. На этом же рисунке приводятся кривые распределения температуры под континентами и океанами, вычисленные по современным данным. Из рисунка видно, что эти системы кривых действительно пересекаются на разных глубинах от 50 до 100 км под континентами. Таким образом, фазовый характер границы М, по крайней мере в некоторых районах, вполне возможен.

Что же касается самого состава верхних частей мантии, то после выплавления коры остается материал, имеющий состав дунитов и перидотитов[14]. Если учесть данные рис. 2, то можно предполагать, что верхняя мантия по составу близка к гранатизированным перидотитам; впрочем, ее состав должен естественно несколько меняться как в горизонтальном направлении, так и с глубиной[15].
Конечно, независимо от природы границы М должна существовать разница в химическом составе коры и мантии в силу того, что кора является продуктом выплавления части вещества мантии.
Также не подлежит сомнению, что на соответствующих глубинах должны наблюдаться и фазовые переходы, как это видно из рис. 2, и если граница М в различных местах имеет разную природу, то, видимо, следует признать, что не всегда ее целесообразно принимать за подошву земной коры, т. е. того слоя, который выделился из мантии. Однако в настоящее время мы не можем установить везде достаточно строго подошву коры в данном понимании, поэтому вполне оправданно в первом приближении принимать поверхность М за границу коры и мантии.
В нижней части слоя В находится область или слой, характеризующийся пониженными значениями скоростей сейсмических волн. Это так называемый волновод мантии, так как он служит каналом, проводящим сейсмическую энергию. Хотя существование волновода в виде непрерывного слоя для всей Земли не доказано, но в ряде больших регионов он несомненно обнаружен[16].
Особенный интерес представляет выяснение физической природы этого волновода. Существует ряд гипотез о его природе. Быстрый рост температуры может превалировать над эффектом нарастания давления, однако при этом требуется слишком большой и малоправдоподобный температурный градиент. Аналогичный эффект при умеренном градиенте могут дать релаксационные процессы при допущении соответствующего значения вязкости у вещества мантии. Наиболее правдоподобным кажется объяснение переходом в аморфное, стекловидное состояние. Такое объяснение согласуется с тем, что на глубинах около 100 км расчетные температуры в недрах Земли приближаются к температуре плавления, в пользу этого же говорит и то, что первичные очаги питания вулканов, как правило, лежат в пределах этого слоя.
4. Природа глубоких частей мантии Земли
Непосредственно под слоем В лежит переходный слой С, глубже которого идет уже нижняя мантия, или слой D. Природа этих двух слоев представляет одну из интереснейших проблем в геофизике. Суть проблемы в том, что вещество слоя D по своим механическим свойствам не соответствует распространенным в достаточном количестве на Земле горным породам и минералам.
В настоящее время существуют три основные гипотезы о строении нижней мантии и, следовательно, о природе переходного слоя С.
1. Вещество верхней мантии без какого-либо существенного изменения состава под действием высокого давления переходит в другую, более плотную структурную модификацию (переход в кубическую решетку типа шпинели)[17].
2. Вещество верхней мантии под действием высокого давления распадается на окислы или переходит в гомогенную структуру из плотнейшей упаковки ионов кислорода, между которыми беспорядочно размещены малые катионы[18].
3. Под влиянием возрастающего давления и сближения атомов происходит усиливающееся перекрытие электронных зарядов в оболочках соседних атомов, что ведет к быстрому, но все же непрерывному переходу от ионного типа связи в породах мантии к преобладанию ковалентного типа связи. Конечно, при этом не исключаются и изменения структуры[19].
Гипотеза простого изменения структуры минералов, входящих в породу мантии, встречается с существенными трудностями. Основная трудность состоит в том, что переход от верхней мантии к нижней происходит постепенно, без четко выраженных скачков в механических свойствах вещества мантии. Переход этот размазан на несколько сот километров по глубине. Даже предположение, что благодаря сложному составу вещества мантии переход к новой структуре должен совершаться не одним скачком, а серией более слабых скачков, не спасает положения. Разница между свойствами нижней и верхней мантии столь велика, что мало правдоподобно, чтобы были не замечены два-три скачка, соответствующие переходам в главных составных частях мантии.
Предположить же наличие огромного количества маленьких скачков мы не можем, исходя из наших сведений о химическом составе вещества Земли. Прямые эксперименты при высоких давлениях до сих пор не обнаружили таких скачков, кроме скачка в габбро, которое даже после скачка оказалось неудовлетворяющим по своим свойствам условиям в нижней мантии[20]. Конечно, можно делать предположения о том, что такие скачки были не замечены при кратковременных нагрузках, но вряд ли это звучит убедительно.
Предположение о распаде вещества мантии на окисли в общем встречается с теми же трудностями. Кроме того, смесь окислов по своим свойствам может подходить для нижней мантии только в том случае, если кремнезем будет находиться в высокоплотной модификации стиповерита[21]. Однако это предположение вызывает существенные сомнения, если учесть данные эксперимента о поле существования стиповерита и сопоставить их с ходом температуры в недрах Земли[22].
Таким образом, наиболее правдоподобной представляется гипотеза об изменении типа химической связи, как о причине появления несколько необычных свойств у веществ нижней мантии. Что же касается изменений структуры, то они, видимо, неизбежно при этом будут также происходить, но вызванные ими скачки будут, вероятно, невелики и будут создавать своего рода тонкую структуру рассматриваемого перехода. К сожалению, экспериментальная проверка этой гипотезы хотя и возможна, но довольно сложна, так как переход от ионных соединений к валентным не сопровождается столь сильным изменением свойств, как переход в металлизированное состояние. Такой переход, по-видимому, позволит наилучшим образом объяснить и сильное возрастаниеэлектропроводности при переходе к нижней мантии.
Если это так, то здесь появляется критерий для экспериментальной проверки гипотезы.
Только что рассмотренная гипотеза подводит нас к более общему вопросу о химических свойствах вещества в условиях высоких давлений. Если и представляются не оправданными иногда высказывавшиеся взгляды о том, что в недрах Земли исчезает разница в химических свойствах элементов и мы вступаем в области так называемого нулевого химизма, то сама постановка вопроса об изменении химизма внутри Земли вполне правомерна.
В самом деле, хорошо известно, что, начиная с калия, происходит нарушение в заполнении электронных оболочек атомов. По энергетическим соображениям оказывается выгодным начать строить более внешние оболочки при недозаполненных внутренних. Ситуация, однако, может резко измениться в условиях очень высоких давлений, когда становятся выгодными всякие перестройки с уменьшением объема. В этих условиях может оказаться, что в таких элементах, как железо, никель и ряд других, может восстановиться порядок заполнения оболочек: электроны N-оболочки могут оказаться «вдавленными» в более внутреннюю М-оболочку. При этом следует ожидать коренного изменения химических свойств. Никель может оказаться с полностью заполненной оболочкой и станет по свойствам аналогом элементов нулевой группы периодической системы. Железо будет иметь немного недозаполненную оболочку и станет по своим свойствам окислителем. Быть может в этом и кроется объяснение возможности существования железного ядра. В противном случае совершенно непонятно, как при обилии кислорода могла оказаться неокисленной масса железа, которое в нормальных условиях легко соединяется с кислородом.
5. Ядро Земли
Наибольшие сложности встречаются при интерпретации данных о строении земного ядра. Это связано как с ограниченностью имеющихся наблюдений, так и с тем, что вещество ядра находится в условиях, весьма отличающихся от обычных, — давления более 1,5∙106 атм и температуры в несколько тысяч градусов.
Высокая плотность ядра, большая электропроводность не оставляют сомнений в том, что вещество ядра находится в металлическом состоянии. Однако по вопросу о том, что это за вещество, сейчас нет единого мнения. Существуют две основные гипотезы.
Первая и наиболее старая гипотеза предполагает, что ядро Земли состоит из железа, вероятно, с некоторой примесью других веществ.
Гипотеза железного ядра встречается со многими трудностями. Например, расчеты показывают, что железо слишком плотное вещество для ядра, что нужно предположить наличие более легких примесей в ядре, и хотя это не невозможно, но образование такого ядра не очень понятно. Одним из самых серьезных препятствий на пути принятия этой гипотезы является то, что средняя плотность планет возрастает с увеличением геометрических размеров планеты, что совершенно непонятно, так как трудно объяснить, почему чем меньше планета, тем меньше в ней должно содержаться железа. Например, в составе Луны железо должно почти отсутствовать. Правда, последние результаты исследования Луны указывают на ее рыхлость — пористость ее наружных слоев, что, возможно, и создает малую среднюю плотность. Однако то же справедливо и для Марса, но трудно предполагать, что и в этом случае все сводится к рыхлости тела планеты.
Все эти и ряд других трудностей, с которыми сталкивается гипотеза железного ядра, привели к возникновению гипотезы о том, что ядро химически мало отличается от мантии, что переход к ядру вызван изменением фазового состояния вещества, а именно металлизацией тех же окислов или силикатов, которые слагают мантию, под действием высокого давления[23].
Если встать на эту точку зрения, то приведенную на рис. 2 кривую плотности для Земли можно рассматривать как приближенное уравнение состояния для вещества планет земной группы. Применение этого уравнения к Луне, Марсу, Венере показало, что оно дает правильные средние плотности с уклонениями менее 10%. Такие колебания состава не представляются неразумными.
Однако и эта гипотеза встречается с серьезными трудностями. Опыты по сжатию некоторых пород до давлений в несколько миллионов атмосфер не показали в них ожидаемого перехода в металлическую фазу[24]. Этот результат нельзя все же считать окончательно закрывающим данную гипотезу. Дело в том, что опыты проводились при очень кратковременных динамических на грузках. Между тем известно, что в ряде случаев для такого перехода требуется длительное время[25].
Принципиальная возможность перехода вещества в металлическую фазу под действием высокого давления известна давно[26]. Примеры такого перехода получены экспериментально. Например, олово существует в двух модификациях — металлической и неметаллической, фосфор при давлении в несколько десятков тысяч атмосфер переходит в металлическую фазу. Были выполнены расчеты условий перехода для некоторых наиболее простых случаев (водород, гелий, гидрид лития). Однако эти расчеты дали давления перехода на порядок большие, чем существующие в Земле. Таким образом, теория косвенно подтвердила неудачу найти экспериментально переход в горных породах. К сожалению, интересные с этой точки зрения минералы довольно сложны, и пока не осуществлен теоретический расчет условий перехода в металлическое состояние.
Суть перехода в металлическую фазу состоит в том, что при высоком давлении происходит сокращение запрещенной полосы между зоной проводимости и ближайшей заполненной электронной зоной. Однако возможно появление металлической фазы и с образованием зоны с недозаполненными уровнями. Это происходит проще всего, когда число валентных электронов меньше числа возможных равноправных связей. В этом случае происходит своего рода резонанс и электроны получают возможность перемещаться по веществу, пользуясь этими избыточными связями. Легче всего это осуществляется у элементов четвертой группы таблицы Менделеева[27]. Но именно переход этого типа и не происходит мгновенно, а потому может быть пропущен при кратковременных нагрузках. Следует отметить, что у всех силикатов в основе лежит сложный четырехвалентный тетраэдр SiO4, поведение которого должно быть аналогично поведению элементов четвертой группы.
Однако гипотеза металлизации встречается и еще с одной существенной трудностью: ядро не только металлическое, но и жидкое. Следовательно, переход в металлическую фазу должен сопровождаться расплавлением. Но это значит, что металлизация происходит в жидкой фазе раньше, чем в твердой, и мы имеем дело с аномальной диаграммой состояния. Такие диаграммы в принципе существуют, примером является вода, где твердая фаза — лед легче жидкой воды. Важно то, что именно элементы четвертой группы при металлизации имеют также аномальные диаграммы состояния[28]. Это косвенно подтверждает гипотезу.
Во всяком случае проблема земного ядра представляется чрезвычайно важной с точки зрения познания свойств и поведения вещества в условиях высоких давлений и температур. Исследования здесь только еще начинаются; есть все основания полагать, что в этом направлении нас ожидают интересные и важные открытия, могущие во многом уточнить наши представления о свойствах и поведении вещества.
6. Земля как материальная система
В систематической последовательности, начинающейся Метагалактикой, планеты земной группы занимают определенное место, как подсистема более общей систематической единицы — солнечной системы. Вещество в этой подсистеме существует в своей особой специфической форме, отличной от тех форм существования, которые присущи другим объектам, стоящим на иных систематических уровнях. В свою очередь планеты сами слагаются из подсистем следующего порядка.
К сожалению, у нас пока очень мало данных о внутреннем строении других планет земной группы, поэтому приходится делать выводы, опираясь преимущественно на наши сведения о Земле.
Рассматривая Землю как определенную систему, мы можем прийти к естественному выводу, что основными подсистемами в ней являются различные оболочки Земли. Мы не рассматривали здесь строение и свойства газовой и водной оболочек Земли, их подразделений.
С одной стороны, эти оболочки заслуживают специального рассмотрения, с другой стороны, газовая оболочка, как бы важна она ни была со многих точек зрения (например, ее роль в развитии жизни, в процессах выветривания горных пород), все же является лишь самой внешней подсистемой, по своей массе составляющей лишь ничтожную долю массы планеты. Более того, присутствие этой оболочки, видимо, не обязательно и не характерно для этой группы тел. Так, газовая оболочка отсутствует у Луны и Меркурия, она практически ничтожна на Марсе. Только Земля и Венера обладают достаточно выраженными газовыми оболочками. В этом одно из существенных отличий планет земной группы от планет-гигантов, где газовые оболочки играют существенную роль.
Характерными особенностями планет земной группы являются:
1. Вещество планет находится в конденсированном (твердом и жидком) состоянии, так как газовая оболочка даже для Земли составляет лишь 1/1 000 000 массы планеты и ее можно не учитывать при рассмотрении планеты в целом.
2. Как следствие первой особенности, планеты земной группы обладают высокой средней плотностью.
3. Размеры, масса, а следовательно, и гравитационное поле таковы, что внутри планет развивается достаточно сильное давление, приводящее к уплотнению вещества. Однако давление еще не настолько велико, чтобы были разрушены электронные оболочки атомов и исчезло всякое химическое взаимодействие.
4. Размеры планет таковы, что благодаря медленности оттока тепла в недрах планет могут возникать довольно высокие температуры, которые достаточны хотя бы для Частичного, временного расплавления. Однако температуры внутри планет никогда не приближаются к звездным, и, следовательно, внутри планет отсутствуют столь характерные для звезд ядерные процессы.
5. Массы, размеры, температура и давление в недрах планет таковы, что вещество планет обладает специфическими механическими свойствами, которые выражаются в том, что планеты в целом близки к состоянию гидростатического равновесия, но, кроме того, во многом проявляют себя как твердые, упругие тела.
Конечно, и некоторые другие космические объекты обладают некоторыми из отмеченных свойств, но неполным их набором. Например, вещество метеоритов тоже находится в конденсированном — твердом состоянии, то же справедливо и для астероидов, но они обладают ничтожным собственным гравитационным полем и лишены других свойств планет. Только самые крупные астероиды несколько ближе подходят к планетам.
Выше было показано, что кривая изменения плотности для Земли достаточно хорошо подходит и для других планет группы (вероятно, Меркурий является единственным исключением); таким образом, эта кривая вместе с кривой давления и температуры может рассматриваться как описывающая уравнение состояния вещества в планетарной форме существования. В этом случае подсистемы, т. е. оболочки, определяются отдельными участками кривой уравнения состояния.
Земная кора — это участок кривой, где вещество существует в виде минералов низких давлений с рыхлой, малоплотной упаковкой атомов и ионов. Верхняя мантия — это участок существования минералов высоких давлений с плотной упаковкой атомов и ионов. Нижняя мантия соответствует той части кривой уравнения состояния, где вещество образует предельно плотные структуры и где, вероятно, уже изменяется характер связей между частицами, меняется в какой-то мере химизм ряда веществ. Наконец, ядро — это область еще более коренного изменения свойств под действием давления, здесь вещество находится в очень плотном металлическом состоянии.
Конечно, не во всех планетах осуществляются все эти стадии изменения свойств вещества и, следовательно, не у всех существуют все оболочки. Так, ядро, видимо, есть у Земли и Венеры, Марс имеет начальную часть нижней мантии. Луна вообще может иметь в сущности одну оболочку и в этом сближаться с крупнейшими астероидами, хотя, видимо, отлична от них наличием жидкой центральной части.
Существует и иная точка зрения, согласно которой некоторые оболочки отличаются не столько состоянием, сколько химическим составом. Например, ядро Земли считается железным в отличие от силикатной мантии.
В этом случае оболочки возникают не как обязательное следствие осуществления разных участков кривой уравнения состояния, а в силу развития некоторых специфических процессов в гравитационном и температурном поле планеты. Но и в этом случае их появление связано с планетарной формой существования вещества. Например, в астероиде с ничтожным гравитационным полем и невысокой температурой вряд ли можно ожидать образования ядра даже при наличии нужного материала.
Можно не сомневаться, что изменение химического состава от оболочки к оболочке всегда может быть. Так, несомненно, что кора Земли выделилась из мантии и отличается от нее химически, но не менее существенно и то, что это зона существования минералов низких давлений.
Конечно, приведенное рассмотрение планетарной формы существования вещества, как особой специфической формы, очень схематично и касается лишь некоторых сторон явления. На самом деле этот вопрос заслуживает гораздо более полного специального рассмотрения.
- М. С. Молоденский. Плотность и упругость внутри Земли. Вопросы внутреннего строения и развития Земли. «Труды ГеоФИАН», № 26 (153), 1955, стр. 121. ↑
- А. Н. Сооk. The contribution of observation of satellites to the determination of the Earth’s gravitational problem. «Space science reviews», v. 2, N 3, 1963, p. 355. ↑
- G. J. F. MacDonald, N. F. Ness. A study of the free oscillations of the Earth. «Journal of Geophysical Research», v. 66, N 6, 1961, p. 1865. ↑
- «Труды Института физики Земли АН СССР», 1960, № 11, стр. 14; В. Н. Жарков. Термодинамика оболочки Земли. «Известия АН СССР», серия геофиз., 1959, № 9, стр. 1414. ↑
- Б. Гутенберг. Физика земных недр. М., 1963. ↑
- Б. Ю. Левин, С. В. Маева. О термической истории Земли. «Известия АН СССР», серия геофиз., 1960, № 2, стр. 243; Г. Джеффрис. Земля, ее происхождение, история и строение. М., 1960; Е. А. Любимова. Влияние перераспределения радиоактивных источников на термическую историю Земли. «Известия АН СССР», серия геофиз., 1956, № 10, стр. 1145. ↑
- И. П. Косминская, С. М. Зверев, П. С. Вейцман, Ю. В. Тулина, Р. И. Кракшина. Основные черты строения земной коры Охотского моря и Курило-Камчатской зоны Тихого океана по данным глубинного сейсмического зондирования. «Известия АН СССР», серия геофиз., 1963, № 1, стр. 20. ↑
- Там же. ↑
- А. П. Виноградов. Происхождение оболочки Земли. «Известия АН СССР», серия геолог., 1962, № 11, стр. 3. ↑
- В. В. Белоусов. Основные вопросы геотектоники. М., 1962. ↑
- S. Р. Clark, А. Е. Ring wood. — «Review of Geophysics», v. 2, N 1, 1964. ↑
- W. H. К. Lee, G. J. F. MacDоnald. The global variation of terrestrial heat flow. «Journal of Geophysical Research», v. 68, N 24, 1963, p. 6481; E. Herrin, J. Taggart. A reinterpretation of phase velocity data based on the GNOME travel time curves. «Bulletin of the Seismological Society of America», v. 52, N 5, 1962; H. H. Пapийский. Земные приливы и внутреннее строение Земли. «Известия АН СССР», серия геофиз., 1963, № 2, стр. 193; В. А. Магницкий. Оболочка и кора Земли. «Советская геология», 1961, № 5, стр. 3. ↑
- Т. F. Lovering. The nature of the Mohorovicic discontinuity. «Transactions American Geophysical Union», v. 39, N 5, 1958, p. 947; С. M. Стишов. Природа границы Мохоровичича. «Известия АН СССР», серия геофиз., 1963, № 1, стр. 42. ↑
- А. П. Виноградов. Происхождение оболочки Земли. «Известия АН СССР», серия геолог., 1962, № И, стр. 3; S. Р. Clark, А. Е. Ringwооd. — «Review of Geophysics», v. 2, N 1, 1964. ↑
- D. H. Green, A. E. Ringwood. Fractionation of basalt magmas at high pressures. «Nature», v. 201, N 4926, 1964, p. 1276. ↑
- Б. Гутенберг. Физика земных недр. М., 1963; G. J. F. МасDonald, N. F. Ness. A study of the free oscillations of the Earth. «Journal of Geophysical Research», v. 66, N 6, 1961, p. 1865; P. Caloi. — «Annals of Geophysics», v. 7, N 4, 1954; V. A. Magnitsky, V. Khorosheva. — «Annals of Geophysics», v. 14, N 1, 1961; I. Dогman. M. Ewing, I. Oliver. Study of the shear-velocity distribution in the upper mantle by mantle rayleigh waves. «Bulletin of the Seismological Society of America», v. 50, N 1, 1960, p. 87. ↑
- S. P. Сlark, A. E. Ringwооd. — «Review of Geophysics», v. 2, N 1, 1964; A. E. Ringwооd — «Journal of Geophysical Research», v. 67, N 10, 1962. ↑
- С. М. Стишов. О внутреннем строении Земли. «Геохимия», 1962, № 8, стр. 649. ↑
- В. А. Магницкий. О природе переходного слоя в оболочке Земли на глубине 400—900 км. «Известия АН СССР», серия геофиз., 1956, № 6, стр. 700; В. А. Магницкий, В. А. Калинин. Свойства оболочки Земли и физическая природа переходного слоя. «Известия АН СССР», серия геофиз., 1959, № 1, стр. 87. ↑
- В. Н. Жарков, В. А. Калинин. Уравнение состояния габбро и дунита при высоких давлениях. «Известия АН СССР», серия геофиз., 1962, № 3, стр. 298. ↑
- R. G. МсQuееm, I. N. Fгitz, S. P. Marsh. On the equation of state of stishovite. «Journal of Geophysical Research», v. 68, N 8, 1963. ↑
- Ю. H. Рябинин, В. П. Петров, В. К. Марков, Л. Д. Лившиц, И. С. Делицин. Дальнейшие сведения об условиях образования плотных модификаций кремнезема при высоких давлениях и температурах. «Известия АН СССР», серия геолог., 1963, № 8, стр. 3. ↑
- В. Н. Лодочников. Некоторые общие вопросы, связанные с магмой, дающей базальтовые породы. «Записки Всероссийского минералогического общества», серия 2, ч. 68, вып. 2, стр. 207; вып. 3, стр. 428; W. Н. Ramsey. On nature of the Earth’s core. «Monthly notices of the Royal Astronomical Society geophysical supplement», v. 5, N 9, 1949, p. 408. ↑
- Л. В. Альтшулер, С. Б. К о p м e p. О внутреннем строении Земли. «Известия АН СССР», серия геофиз., 1961, № 1, стр. 33. ↑
- A. Jayaraman, W. Кlеmеnt, jr., G. C. Kennedy. Melting and polymorphism at high pressures in some group IV elements and III—V compounds with the diamond/zincblende structure. «The Physical Review», second series, v. 130, N 2, 1963, p. 531. ↑
- Г. С. Жданов. Физика твердого тела. М., 1961; Ф. Зейтц. Современная теория твердого тела. М.—Л., 1949. ↑
- «The nature of the chemical bond and the structure of molecules and crystals». Ithaca, N. Y., 1960. ↑
- A. Jayaraman, W. Klement, jr., G. C. Kennedy. Melting and polymorphism at high pressures in some group IV elements and III—V compounds with the diamond/zincblende structure. «The Physical Review», second series, v. 130, N 2, 1963, p. 531. ↑