Глубоко под земной корой находятся очаги раскаленной магмы. Могучие силы земного давления сдавливают ее. Бьется горячее земное «варево», ищет, куда бы прорваться. Самый легкий путь - наверх, там давление поменьше. Найдет магма трещинку и, как паста из тюбика, выдавливается, выдавливается. Раздвигает породы, уплотняет их, прогревает. Окружает себя как скорлупой. В такой скорлупе магма остывает. А раз остывает - объем ее уменьшается. И вся масса ее как бы проседает. Между гранитом, в который превратилась остывшая магма, и прочным сводом-скорлупой образуется пористая, трещиноватая область. В нее начинает пробираться вода. Горячие геотермальные растворы приносят сюда соединения самых разных металлов, часть из них выпадает в осадки. Год за годом, тысячелетие за тысячелетием длится этот процесс. И образуется в пористой области месторождение редких металлов.
Значит, чтобы разведать вольфрам с молибденом, нужно сначала изучить горный район и отыскать гранитные массивы. Затем изучить состав найденных гранитов, поскольку редкие металлы встречаются далеко не во всех. Надо бить шурфы, бурить разведочные скважины. В общем, хлопот предостаточно. Нелегка работа геологоразведчиков.
Больше всего сведений о строении земной коры дал все же сейсмический метод. Я уже рассказывал о том, как под действием землетрясений или мощных взрывов частицы земли сдвигаются, передают свое движение дальше и возникают сейсмические волны. Они, как рентгеновские лучи, «просвечивают» Землю, выявляя ее внутреннее строение.
В 1909 году сербский ученый Андрей Мохоровичич, изучая землетрясение в Загребе, обнаружил слой, отделяющий земную кору от мантии.
Затем четырнадцать лет спустя австрийский ученый В. Конрад выделил внутри земной коры еще одну границу. Выше нее скорость распространения сейсмических волн равнялась скорости таких колебаний в граните, а ниже - в базальтах. Этот слой или поверхность назвали «поверхностью Конрада». И ученые договорились считать, что под осадочным, сравнительно рыхлым, слоем на глубине 20-25 километров лежат сначала граниты, а за ними, еще глубже, - базальты.
На самом-то деле, конечно, в «гранитном слое» находятся вовсе не знакомые нам всем граниты, а множество самых разных пород, спрессованных до плотности гранита. Точно так же, как и «базальтовый слой» тоже не состоит из одного лишь базальта.
Таким трехслойным «пирогом» представляется сегодня материковая или континентальная кора. И совсем иначе оказалась устроена земная кора, выстилающая океаническое дно. Осадков значительно меньше, чем на суше. И куда-то пропал гранитный слой. Почему? Об этом до сих пор идут горячие споры среди ученых.
Из чего состоит мантия
Точно этого не знает никто! Добыть кусочек вещества из глубоких недр - нет более заветной мечты у геологов. Сколько бы нерешенных задач сразу получило решение. Но... до этого пока далеко. Пока лишь по косвенным признакам можно обсуждать возможный состав и строение вещества мантии.
Долгое время основным материалом мантии считался оливин - хорошо знакомый многим желтовато-зеленый, оливковый, а то и коричневый минерал, входящий в состав почти всех самых тяжелых горных пород земли, когда-либо изливавшихся из недр земных расплавленной магмой.
Из оливина же в основном состоят и каменные метеориты, прилетающие к нам на Землю из космического пространства. Некоторые ученые считают, что это остатки строительного материала, из которого образовались планеты, в том числе и наша Земля.
В 1936 году известный английский физик и видный общественный деятель Джон Берналл предположил, что в глубине земных недр в условиях высоких температур и давлений кристаллики оливина сдавливаются, атомы переупаковываются и должны получаться кристаллы другой, большей плотности. Аналогичную идею высказал в то же время и профессор Ленинградского горного института Владимир (Вартан) Никитович Лодочников. Он считал, что все физические свойства материи, находящейся в глубине Земли, должны изменяться.
Ученые стали испытывать оливин в лабораториях. Кубики желто-зеленого минерала сдавливали и нагревали, снова нагревали и опять сдавливали. Очень подходил оливин под давлением по сейсмическим характеристикам к веществу мантии, но... При давлениях, соответствовавших глубине примерно четыреста километров, он разрушался. Значит, из него могла состоять только верхняя и частично средняя мантия. А что же входит в состав нижней?
Русский геофизик В.А. Магницкий и американский ученый Ф. Берч выдвинули гипотезу о том, что под действием гигантских давлений и температур сложные силикатные соединения (в том числе и оливин) распадаются на простые окислы кремния, магния, железа, но в более плотной упаковке.
В это было трудно поверить. Ведь кристаллическая решетка минералов - первооснова материи. Неужели простым давлением и повышением температуры можно ее изменить?..
В 1958 году австралийский ученый А. Рингвуд вместе со своими коллегами заключил образцы оливина в могучий пресс и, нагрев их до температуры примерно в тысячу градусов, сдавил до ста тысяч бар. Результат оказался удивительнейшим. Если рассмотреть кристаллик обычного оливина под электронным микроскопом, а потом построить модель упаковки его ионов кислорода, то получится ровная шестигранная призмочка. Примерно такая нарисована на рисунке. Но после опытов Рингвуда материал полностью перестраивался. Длинная призмочка с ионами кислорода в узлах превращалась в плотный приземистый кубик, соответствовавший кристаллической структуре твердой шпинели. Значит, прав был Берналл, говоря о возможности таких превращений, правы были Лодочников, Магницкий и Берч.
На одном из международных симпозиумов по геофизике, состоявшемся в 1963 году, советские специалисты показали зарубежным коллегам небольшие темные кристаллики непонятного вещества. Никто из геологов не мог определить, что это такое. Вроде бы кварц, а вместе с тем и не кварц. Очень уж плотен и тяжел. Оказалось, все-таки кварц, только побывавший в условиях сильного сжатия и высокой температуры. Его получили советские ученые С.М. Стишов и С.В. Попова в лаборатории Института физики высоких давлений. По имени одного из своих творцов новый минерал получил и название - стишовит.
Интересной оказалась находка стишовита в естественных условиях.
Американцы отыскали его в кратере Аризоны, где он образовался в момент мощного удара прилетевшего метеорита о Землю.
Получалось, что вещества, из которых сложены верхние слои мантии, могут составлять и нижние ее этажи. Но при этом кристаллы под действием высоких давлений и температур переходят из одного вида в другие.
Такие превращения, когда вещество из одного состояния переходит в другое, например вода переходит из пара в жидкость, а из жидкости в лед, называются фазовыми превращениями или фазовыми переходами. Эти переходы, по-видимому, играют очень большую роль и значение в процессах, происходящих в глубоких недрах. Они помогают сегодня ученым представить себе не только состав нижней мантии, но и ядра Земли.
Земля - современная модель
Что же лежит в основе современных представлений о внутреннем строении Земли? Как ни странно, но эти основы можно разделить по стародавнему обычаю на три группы - три «кита». Прежде всего представление о составе нашей планеты дает лава, вылившаяся из недр через жерла вулканов и трещины. В большинстве случаев она имеет базальтовый состав. И геологи так ее и называют - базальтовая лава. Кроме того, мы доподлинно знаем о существовании больших гранитных массивов в докембрийских толщах коры.
Второй «кит» тоже «вещественный». Это прилетающие к нам из космоса метеориты. Ведь по идее они должны быть из того же первичного вещества, из которого слепился и весь земной шар. Подавляющее большинство космических гостей состоит из плотной горной породы - темно-зеленого перидотита и из железа.
Наконец, третий «кит» - скачкообразное изменение скоростей распространения сейсмических волн внутри Земли. Оно позволяет предположить, что так же скачкообразно меняется и плотность вещества внутри нашей планеты, нарастая с глубиной.
Все это заставляет нас предположить, что внутреннее строение Земли очень сложно. А чтобы изучать сложные объекты, в науке уже давно пользуются приближенными моделями. То есть более или менее простыми и наглядными картинами, которые примерно соответствуют имеющимся знаниям.
В геофизике под моделью Земли понимают как бы разрез нашей планеты. На нем должно быть ясно видно, как меняются такие важные свойства земных недр, как плотность, давление, скорость распространения сейсмических волн, температура, ускорение силы тяжести, электропроводность и так далее.
Считается, что первые шаги в построении реальной модели внутреннего строения нашей планеты, с учетом всей имеющейся геофизической информации, накопленной за много лет, сделали американские геофизики Адамс и Вильямсон в 1923 году. Однако сейсмологи в те годы еще не могли дать достаточно точных значений для скоростей упругих колебаний. И потому работа американцев страдала многими неточностями.
Исправить недостатки и уточнить скорости взялись два крупнейших геофизика тридцатых годов. С одним из них мы уже встречались, когда разговор шел о гипотезах происхождения Земли. Это Гарольд Джефрис, профессор Кембриджского университета в Англии. Другой - Бено Гутенберг, немецкий ученый, эмигрировавший из фашистской Германии за океан.
Целых десять лет продолжалась их работа. Результаты, достигнутые Джефрисом и Гутенбергом, позволили австралийскому геофизику Буллену, стажировавшемуся у Джефриса, построить новую модель Земли, в которой он ввел удобное разделение на зоны.
И все-таки к началу пятидесятых годов классический период в геофизике, опиравшийся в основном на методы механики, закончился. В Советском Союзе и в США появились работы В.А. Магницкого и Ф. Берча, применивших для геофизических целей современные методы физики твердого тела и физики высоких давлений. Я уже рассказывал немного об их опытах и выводах. В результате была построена современная модель оболочки Земли, которая включает в себя литосферу и верхние слои мантии.