Алексей Торгашев

Изучать небесное тело у нас под ногами оказалось труднее, чем далекие звезды. Звезды, в конце концов, видно, а недра Земли — нет. Самое большое, на что способна буровая техника, это Кольская сверхглубокая скважина. Но она дает образцы пород всего лишь с глубины 12 262 метра, а до центра планеты, если смотреть с полюсов, — 6 357 км и 6 378 км — если смотреть с экватора.

Поэтому основными способами изучения недр стали сейсмология, гравиметрия, геохимия, геология вулканических пород и разнообразная теоретическая физика от космологии до квантовой механики. Немного помогает и исследование метеоритов.

Кликните по изображению для увеличения

Литосфера. Океаническая кора. 5–7 км

Твердая оболочка Земли, дно океанов. Непрерывно обра­зуется в океанических хребтах из магмы, изливающейся под водой. Сверху закрыта осадочными породами, ниже базальты, то есть собственно бывшая магма. Плиты океанической коры подползают под континентальные и уходят в глубь Земли. Среднее время обновления коры составляет 100 млн лет.

Литосфера. Континентальная кора. 30–70 км

Твердая оболочка Земли, из которой складываются континенты. Содержит
три слоя: осадочные породы, граниты и нижнюю кору, близкую к базальтам.

Литосфера. Граница Конрада. 15–20 км

Граница между гранитами и базальтами в континентальной коре. Обнаружена австрийским геофизиком Виктором Конрадом, анализировавшим землетрясения в Австрии 1923 и 1927 годов.

Граница Мохорови­чича. 5–70 км

Узкая область перехода от земной коры к мантии. Открыта в 1909 году Андреем Мохоровичичем, сейсмологом из Загреба. Границы Мохоровичича пытались безуспешно достичь при бурении Кольской сверхглубокой скважины.

Верхняя мантия. 7–670 км

Мантия — как верхняя, так и нижняя — содержит большую часть вещества Земли и составляет 67% массы планеты. Она твердая и горячая, по составу похожа на базальт, то есть это силикаты и оксиды таких металлов, как магний и железо. Область серьезных давлений, поэтому даже большой нагрев не позволяет породе расплавиться. Непосредственно изучать мантию нельзя: даже самые глубокие скважины пока не могут достичь ее верхних границ. Однако есть другие способы. Во-первых, из мантии на поверхность выходит магма. Во-вторых, выбросы из глу­бины содержат нетронутые включения — ксенолиты, обломки горных пород. Самые глубинные найдены в Африке в Лесото — перед тем как попасть на поверхность, они проделали путь в 250 км.

Слой Голицына. 670 км

Граница между верхней и нижней мантиями, на которой скорость сейсмических волн резко увеличивается. Слой открыт в 1916 году русским сейсмологом, изобретателем первого электрического сейсмографа Борисом Голицыным. Как выяснилось потом, слоев в мантии гораздо больше, чем предполагалось.

Нижняя мантия. 670–2 900 км

Изучать вещество на таких глубинах еще труднее, чем в верхней мантии. Ученые применяют комплексные методы. Во-первых, из теории образования Солнечной системы понятно, что это вещество должно быть похоже на некоторые метеориты, образовавшиеся миллиарды лет назад. Во-вторых, вещество из нижней мантии все же добирается до поверхности. В самом низу мантии, на границе с ядром, есть аномально горячие зоны. Разогретое вещество поднимается вверх столетиями и может добраться до коры Земли — это так называемые мантийные плюмы, пузыри. Горячая магма может выбраться на поверхность при извержении. В выброшенной на поверхность магме вещество мантии изменено. Ее истинные свойства приходится моделировать. Например, помещая силикат магния между алмазными наковальнями под давлением в 1,3 млн атмосфер и одновременно нагревая его лазерным лучом до 2 000 °С.

Жидкое внешнее ядро. 2 900–5 150 км

Ядро состоит из железа с примесями нескольких элементов. Материал ядра недоступен для изучения, поэтому его состав и строение исследуют косвенными методами. Cуществование ядра установил в 1897 году немецкий физик и сейсмолог Эмиль Вихерт. Ядро похоже на железные метеориты. Железа 80–90%, а остальное приходится на кремний, серу, кислород, никель и водород.

Внутреннее твердое ядро. 5 150–6 371 км

Главное отличие от внешнего ядра в том, что оно твердое из-за огромного давления, в центре Земли достигающего 3,7 млн атмосфер. В таких условиях железо даже при температурах в тысячи градусов переходит в кристаллическую форму. Смоделировать такое давление в экспериментах непросто, хотя в последние годы сде­лано несколько попыток воспроизвести центр Земли в лаборатории.

1500 °С — разница темпе­ратур в твердом и внешнем жидком ядре Земли, рассчитанная теоретически. Теория исходит из того, что жидкое железо должно вращаться вокруг твердого ядра, создавая магнитное поле. Только в 2013 году французским ученым удалось провести прямые эксперименты с железным порошком под давлением. В алмазной наковальне его нагрели до 4 800 °С при давлении в 2,2 млн атмосфер. Образец просве­тили рентгеном, чтобы зафиксировать точку плавления. После всех экстраполяций получилось, что температура в центре Земли — около 6 000 градусов при давлении 3,3 млн атмосфер.

250 млн лет назад образовались сибирские траппы — огромные, от Норильска до Красноярска, поля застывшей магмы, выброшенной на поверхность. С этим событием связывают пермское вымирание, когда погибло почти 90% всех видов животных. Это событие — результат прорыва крупного мантийного плюма: вязкого потока горя­чего мантийного вещества, подни­мающегося от ядра Земли. Вещество мантии благодаря плюмам все время перемешивается.

750 тысяч лет назад произошла последняя инверсия магнитного поля. Поле возникает из-за движения расплавленного железа вокруг твердого ядра планеты. Оно защищает Землю от космической радиации. Время от времени полюса магнитного поля меняются местами, происходит инверсия, механизм которой до сих пор в деталях не известен.

410 км — на этой глубине геофизики из США обнаружили породу с большим количеством воды. Эта порода может высвобождать воду из минералов, как показали глобальные сейсмические исследования с 2 000 сейсмографов. Предполагается, что воды внутри мантии в три раза больше, чем в океанах на поверхности. Основная гипотеза о происхождении океанов на сего­дня — кометная. Новое исследование показывает, что вода может быть и своя, земная.