Факультет

Студентам

Посетителям

Геотермальный дирижер

Вода — чудо природы. О сказочных свойствах этого минерала написаны тома. От воды зависит наше благополучие, сам факт существования живого на Земле. Вода вездесуща, повсеместна и многолика, и… тем не менее до недавних совсем пор в большой геофизике ее место и роль были довольно скромными. Еще и сейчас многие ученые считают, что в недрах земной коры из-за полной сжатости вещества в царстве высоких давлений просто не может быть никаких трещин, а тем более полостей. А значит, воде негде накопиться. На ее пути одни сплошные барьеры — ни протечь, ни переместиться…

Конечно, в земле есть растворы, они поднимаются, из них выпадают красивые кристаллы и возникают месторождения разных руд так называемого гидротермального происхождения. Да и изверженные породы пронизаны сплошь трещинами, канальцами и отверстиями, заполненными цементирующими веществами. Но все это вроде бы ничтожная малость в гигантской тектонической кухне, формирующей лик Земли, вздымающей горы, передвигающей континенты и т. д.

Однако в последнее время слова «вода», «водные растворы» все чаще стали слышны на геологических собраниях. Даже когда речь заходит о землетрясениях или движении континентов. Стали поговаривать, в частности, о том, не «смазать» ли водой «тектонические швы» в земной коре, чтобы вместо разрушительного толчка происходило плавное скольжение ее участков, не причиняющее беды городам. Заговорили о воде и геохимики. Из скромной роли статиста на тектонической сцене вода стала подбираться к ведущим ролям. И это ее выдвижение шло в такт меняющимся взглядам на Землю вообще. Из застывшего, мертвого круглого булыжника, расслоенного, подобно луковице, Земля в представлениях геофизиков сегодня становится все более похожей на сложный комбинат по переработке вещества. В ее глубинах идут разнообразные процессы, и многое из того, что видно ученому, лишь сиюминутный снимок этих медленных в сравнении с нашей жизнью перемен.

В геохимических процессах превращений магмы в базальты, потом в граниты… вода играет роль чрезвычайную. По сути дела, именно вода и ее растворы дирижируют процессами на этом сложном химико-технологическом комбинате в глубине. Вода — конструктор и строитель земной коры, ее организующее начало. Вот главная мысль новой гипотезы, о которой пойдет речь в нашей книге.

Новые гипотезы не возникают на пустом месте. То, что предлагается, — осмысление и развитие старого. Замечательны слова Ньютона о том, что он вряд ли достиг бы чего-нибудь в науке, если бы не стоял на плечах гигантов. Над авторами этой книги высится фигура замечательного ученого В. И. Вернадского. Создатель геохимии писал: «Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных, геологических процессов…»; «В пределах земной коры роль воды исключительная… до глубины 20 километров она не опускается ниже 8 процентов по весу, и едва ли можно видеть признаки уменьшения ее количества… примерно до 60 километров от уровня океана». И еще: «В земной коре, в толще, почти на протяжении 25 километров мощностью идут передвижения водных масс — интенсивно и непрерывно — в бесчисленных круговоротах… Количество воды в земной коре исчисляется многими процентами — больше 12—15 веса последней в пределах 16 километров».

Стартовая площадка гипотезы

Далеки от человека глубинные недра земной коры. В определенном смысле они дальше, чем Луна. Во всяком случае попасть туда труднее, и дело даже не в затратах, а в отсутствии техники, способной создать скважины глубиной 10 и более километров.

И все же сегодня ученые неплохо информированы о строении Земли. По крайней мере о ее поверхностных слоях. В этом им, в частности, помогли землетрясения. При колебаниях недр возникают сейсмические волны. Они распространяются во всех направлениях. Допустим, землетрясение произошло где-нибудь под Душанбе. Сейсмоволны от него придут в Ташкент, Москву и Мурманск. Понятно, что волна, достигшая Ташкента, идет на одной глубине, в Москву она приходит на другой, а в Мурманск попадает на третьей, расположенной глубже других. Специальные расчеты позволяют определить скорость распространения сейсмических волн на различных глубинах. По ним судят об особенностях строения Земли.

Распространение сейсмических волн в Земле

Распространение сейсмических волн в Земле

Сейсмические волны бывают разных типов. В продольной сейсмической волне (Р) сжатие и разрежение среды передаются последовательно, подобно звуковым волнам. Поперечная волна (S) перемещается вследствие сдвигового нарушения среды. Особенности молекулярного строения жидкостей препятствуют распространению поперечных волн.

В 1909 году югославский сейсмолог Андрей Мохоровичич изучал землетрясение в Загребе и нашел, что скорость P-волн на глубине нескольких десятков километров заметно увеличивается, примерно на 2 километра в секунду. Это изменение скорости заставило ученого допустить существование в недрах Земли особой границы, отделяющей земную кору от мантии. В мантии скорость волн резко возрастает. Граница раздела была названа в честь ее открывателя границей Мохоровичича.

Скорости сейсмических волн внутри земного шара

Скорости сейсмических волн внутри земного шара

Лежащий выше этой границы слой пород теперь называют корой, расположенную под ним толщу — мантией, или оболочкой. Слоистость Земли традиционно отражается в известном сравнении земного шара с куриным яйцом. При этом желток сопоставляется с ядром (радиус — 3,347 километра), а яичная скорлупа вроде бы должна быть аналогом земной коры. Но последнее неточно, так как кора относительно гораздо тоньше. Скорее ее можно уподобить тонкой пленочке, облекающей в яйце белок. Толщина коры ничтожно мала в сопоставлении с ядром и мантией.

Кора континентов, как показали более детальные исследования, тоже неоднородна: она состоит из осадочных и кристаллических пород и в ее верхней части сейсмические волны проходят со скоростью около 3 километров в секунду, а у основания — до 6—6,5 километра в секунду. Объясняется это тем, что вверху плотность пород несколько меньше (2,6—2,7 грамма на кубический сантиметр), чем внизу (около 3 граммов на кубический сантиметр). Породы, слагающие верхнюю часть кристаллической коры, близки по своим свойствам к гранитам, поэтому был выделен и обозначен особый, «гранитный слой», а сходные по свойствам с базальтами породы, лежащие под гранитами, получили название «базальтовый слой». Граница между этими слоями гораздо менее четко выражена, чем поверхность раздела, или граница Мохоровичича; она получила название границы Конрада.

Еще недавно земная твердь представлялась в виде тонкой корочки на расплавленном огненно-жидком веществе Земли. Продолжающееся охлаждение внутренних слоев нашей планеты, казалось бы, должно было приводить к сморщиванию ее коры, а местами и к провалам в расплавленное вещество. Все это вроде бы убедительно объясняло и горообразование, и вулканизм, и землетрясения. Привычность иногда выступает некой разновидностью истины. Однако она всего лишь тень истинного знания и легко отступает и тушуется перед великими вопросами «как» и «почему». А таких вопросов, адресованных земной коре, за тысячелетия собеседования человека с Землей накопилось множество. При этом, чем основательнее, детальнее изучалась земная кора, тем шире расплывалась граница непознанного.

На протяжении огромного времени сложились многие гипотезы о строении внутренних недр Земли и земной коры, и ныне даже сами исследователи считают, что становится все труднее разобраться в многообразии этих гипотез.

Наука задает земной коре в изобилии вопросы, на большинство которых пока нет исчерпывающих ответов.

Дренажная оболочка

«Вода создает организованность земной коры», — писал В. И. Вернадский. Понятие организованности он применял вместо менее выразительного термина «механизм» земной коры. К великому сожалению, то, что видит один исследователь, далеко не всегда сразу удается увидеть остальным. В. И. Вернадский видел эти постоянно идущие в недрах организующие процессы, поддерживающие в неизменном виде строение, мощность, химический состав коры. Именно постоянно действующие циклические, круговые процессы формирования земных недр искал ученый: «Круговые процессы теснейшим образом связаны с тем, что благодаря геологическим смещениям на земной поверхности постоянно идет переход материи, то есть химических элементов, из одного места в земной коре в другое. Они попадают из верхних слоев ее в более глубокие, нижние, и обратно. В течение долгих чередований геологического времени такое перемещение неизбежно идет для всего вещества земной коры…»

В цикле заключен некий обобщенный закон существования материи. Все подвержено цикличности. Важнейшая особенность циклических процессов — их устойчивость. Ничто не вечно под луной, кроме перемен. Добавим: кроме циклических перемен. Именно они реализуют в себе идею сохранения во времени некоторого постоянства состояний. Именно в них скрыта потенция вечного движения материи по спирали.

Цикл сопротивляется времени активно, находясь в непрестанном движении, расходуя минимум энергии, совершая работу.

В. И. Вернадский ясно и определенно высказался как о существовании механизма образования земной коры, так и об агенте, способном выполнять главную роль в таком механизме. Он писал: «Вода определяет и создает… основные черты механизма земной коры, вплоть до магматической оболочки, по крайней мере». «Природные водные растворы не являются инертным телом в земной коре. Они — носители огромной энергии и производят огромную работу». Но В. И. Вернадский не рассматривал конкретных процессов, входящих в механизм земной коры. Он отмечал и неясности, которые затрудняют понимание этого механизма. Он отмечал, что «в энергетическом механизме земной коры первостепенное значение имеют водные растворы. Но мы не можем его сейчас выяснить, так как энергетический учет не охватил еще геологической мысли».

Оставалось по сути дела сделать последний шаг, обнажить, сделать очевидным этот механизм, в котором вода и ее растворы так активно действуют. Этим шагом можно назвать предложенную одним из авторов гипотезу существования в земной коре «дренажной оболочки».

Представьте солнечный день. Всплывает вверх пар, там, в высоте, на границе конденсации, пар превращается в жидкость, и перед глазами пушится, белеет облачко. Еще недолго — и облако становится тучей. Вниз льется дождь, возвращая влагу туда, откуда она пришла в виде легкого пара. В пустыне часто капли воды не долетают до поверхности и на какой-то высоте вновь испаряются и снова поднимаются вверх, чтобы там, на верхней границе, опять стать жидкостью и наг дать вниз, и т. д.

Подобные же процессы перехода пара в жидкость и снова в пар идут и в земной коре. С той лишь разницей, что здесь они не так очевидны, поскольку скрыты в глубинах Земли. Для понимания их надо вспомнить некоторые свойства воды и пара. Вода при нагреве — это хорошо известно — переходит в пар. Однако этот переход возможен лишь при давлении, не превышающем 218,5 атмосферы и поэтому называемом критическим. Но для воды, как и для всех других веществ, кроме критического давления существует и критическая температура. Так называют температуру, при которой вода переходит в пар независимо от давления. Для чистой воды эта температура равна 374,15° С. Д. И. Менделеев критическую температуру называл абсолютной температурой кипения.

Необходимо учитывать, что всякий водный раствор в зависимости от концентрации и состава растворенных веществ имеет свою критическую температуру и свое критическое давление, притом более высокие, чем у чистой воды.

Зная, что в земной коре с глубиной растет и давление, и температура, рассмотрим фазовые превращения воды в недрах Земли. Пар, который поднимается из тех глубин, где температуры настолько высоки, что ни чистая вода, ни ее растворы в жидком виде там существовать не могут, охлаждается «по дороге» и наконец попадает в те слои, где температура равна 374° С. Давление в этих слоях значительно выше, чем 218,5 атмосферы. Пар в таких условиях существовать не может, он конденсируется в воду.

Вода тут же образует растворы и начинает медленно «стекать» вниз, чтобы, опустившись туда, где она перейдет в пар, вновь начать восходящее движение…

Такой круговорот может и должен выполнять огромную работу. Вниз он несет хорошо растворимые в воде вещества, вверх — вещества, летучие с паром. Граница конденсации паров лежит неглубоко, в 15—20 километрах от поверхности суши и всего в 5—10 километрах ниже дна океана, а граница превращения жидкости в пар проходит на глубине 35—40 километров, где температуры повышаются до 425—450° С.

Схема вертикальной циркуляции воды в дренажной оболочке

Схема вертикальной циркуляции воды в дренажной оболочке

Эти две границы (их называют изотермами), на которых вода претерпевает фазовые превращения (на нижней: жидкость — пар, на верхней: пар — жидкость), и заключают внутри себя дренажную оболочку нашей планеты. Подъем паров и нисхождение растворов навстречу друг другу идут в принципе вечно, поскольку вода существует в Земле со дня ее рождения. Так в повторяющейся смене потоков осуществляется циклический процесс. Тот самый, существование которого предвидел В. И. Вернадский.

Какова же судьба воды в слоях выше и ниже дренажной оболочки? Ответ на такой, казалось бы, трудный вопрос на самом деле несложен. Вода в толще земной коры над дренажной оболочкой находится при температуре ниже 374° С. Давление же здесь для воды всюду превосходит критическое. Поэтому перейти в пар она здесь не может и находится, как правило, в жидком виде. Отсюда она движется главным образом вниз, в дренажную оболочку. Та вода, которая находится в слоях ниже дренажной оболочки, существует при высоких температурах преимущественно в виде надкритического пара, а при дальнейшем повышении температуры распадается на водород и кислород. Вертикальная циркуляция и постоянно действующий круговорот здесь отсутствуют — вода в виде пара постепенно поднимается вверх.

Дренаж — слово франко-английского происхождения. Оно означает, в частности, систему каналов и труб для осушения почвы и понижения уровня грунтовых вод. Вода по каналам и трубам уходит в более низкие места и реки.

В нашей книге речь идет, разумеется, не об осушении слоя коры. Наоборот, как мы уже знаем, вода в дренажной оболочке присутствует всюду, и присутствует активно, в двух ипостасях — жидкости и пара. В данном случае термин «дренаж» означает непрерывное движение жидкости сквозь кору материков и перемещение ее по трещинам и порам в область разгрузки под океан, а затем в океан.

Породы, из которых состоит дренажная оболочка, в итоге постоянного промывания горячей водой и паром приобрели повышенную проницаемость по сравнению с породами выше и особенно нижележащих слоев земной коры. В пределах дренажной оболочки жидкость и пар могут перемещаться не только вертикально, но и горизонтально. Если мы вспомним, что кора материков пронизана водой, проникающей под действием силы тяжести в глубинные горизонты, то станет ясно, что на «работу» дренажной оболочки влияет гидростатическое давление растворов, растущее с глубиной. Чем толще кора материка, тем выше столб содержащейся в ней воды, тем сильнее давление на растворы, заполняющие дренажную оболочку. А поскольку она проницаема в любых направлениях, хотя и неравномерно, можно говорить о системе сообщающихся сосудов: повышенное гидростатическое давление в материковой коре вызывает перемещение растворов туда, где давление слабее, то есть в сторону океанов. Из этого свойства вытекают многие важные следствия.

Однако какие же вопросы возникают в науке о земной коре?

Вопросам несть числа

Вопрос № 1. По праву загадкой высшей категории трудности представляется происхождение и существование поверхности раздела Мохоровичича, или, как ее иногда называют, границы или слоя Мохо. Слоя потому, что, как всякая реальная, физическая граница, граница Мохоровичича имеет толщину. Слой Мохо, обволакивая Землю сплошным непрерывным покровом, залегает на определенной, характерной для рельефа данной местности глубине независимо от возраста пород, слагающих земную кору. Например, под древним Балтийским щитом и под молодыми горами Кавказа слой Мохо лежит примерно на одинаковой глубине — 40— 60 километров. Но под океанами, как правило, глубина залегания слоя Мохо составляет всего 5—7 километров, редко достигая 10—15 километров, у основания континентов — 35—40 километров, а под высокими горами — даже 70—80 километров.

Толщина коры материков и океанов различна

Толщина коры материков и океанов различна

Доказывается, что в течение геологически долгого времени слой Мохо залегает на почти одной и той же глубине. Благодаря чему поддерживается это удивительное постоянство? Какие силы сохраняют его устойчивую неизменность? Удовлетворительный ответ на этот вопрос еще не получен.

Примерно с 1954 года, после международного геофизического и геологического симпозиума, многие ученые стали считать корой все, что находится выше поверхности Мохоровичича. Из этого вытекало, что земная кора существует в двух видах — кора континентов и кора океанов, которые отличаются мощностью и составом. Но еще сильнее и та и другая отличаются от вещества мантии — как плотностью, так и прочностью. Впрочем, о составе вещества мантии сегодня судить трудно. Это пока еще «неведомая земля» современной науки.

Но почему же слой Мохо проходит на столь разных глубинах? Почему на него оказывает такое влияние рельеф местности — под основаниями континентов и гор он «тонет» на десятки километров и «всплывает» под океаническим дном? И в то же время глубина залегания этого таинственного слоя никак не связывается с возрастом пород, составляющих земную кору. Почему?

Вопрос № 1 формулируется так: что такое граница Мохоровичича, каковы ее природа и происхождение?

Ответ на этот вопрос поможет также понять, почему кора материков толще, чем кора океанов, и в. чем причина их химического различия.

Вопросы № 2, 3, 4… и так далее. Когда ученые смогли «просветить» не только земную кору, но и весь земной шар с помощью сейсмических волн, оказалось, что кроме поверхности Мохо в ней существует много разных оболочек и. сфер, разделенных более или менее четкими сейсмическими границами. Появление таких оболочек объясняют различными причинами. Некоторые из них образовались якобы еще при формировании планеты, другие — возникли в результате наслаивания различных осадков.

Земную кору грубо можно разделить на три слоя: осадочные породы, граниты и базальты. Последние два считаются продуктами расслоения первичного материала земной коры, а граница между ними называется поверхностью Конрада. Ученые считают, что познание процессов и закономерностей, связанных с поверхностью Конрада, откроет тайны образования многих рудных полезных ископаемых.

Так перед нами возникает вопрос № 2: что такое граница Конрада, как она появилась? Почему нет гранитов в коре океанов?

Разгадка этих двух поверхностей — Мохоровичича и Конрада — помогла бы узнать многое из того, что нам сегодня неизвестно о земной коре.

Можно перечислить и некоторые другие вопросы. Вот они.

Столько могло быть смыто с материков

Столько могло быть смыто с материков

Известно, что материки на Земле собрались главным образом в северном полушарии. Почему? Достаточно надежных объяснений нет.

Известно, что каждый год реки сносят с материков 12 кубических километров твердой взвеси. Это значит, что за 10 миллионов лет они должны были смыть не только горы, но и всю сушу в океан. Однако этого не произошло. Почему?

Куда девается материал, смываемый в океаны? При нынешних темпах сноса только за 1 миллиард лет вещество суши образовало бы при равномерном распределении по всему дну Мирового океана слои осадков толщиной 30 километров. Но океаны сохраняются очень долго, и материал, сносимый с материков, исчезает в них как бы бесследно. Бесследно ли?

Как появились горы, почему и как они растут? Откуда поступает энергия, которая необходима для перемещения таких огромных масс к поверхности планеты?

Известно, что горные области сложены осадочными породами преимущественно морского происхождения. Значит ли это, что дно океанов способно превратиться в горные поднятия? Как это происходит?

Известны также случаи, когда на больших площадях молодые породы оказались погребенными под более старыми. Почему? Естественней, чтобы древние породы лежали под новыми наслоениями.

По идее растительность на Земле давно должна была погибнуть: ресурсы углекислоты, которая содержится в атмосфере и растворена в воде океанов, исчерпываются за каких-нибудь 30—50 лет. Раз этого не произошло, значит, существует дополнительный источник питания растений. Вероятно, в круговорот углекислоты вовлекаются и те массы двуокиси углерода, которые постоянно захороняются на океаническом дне в виде карбонатов. Как это осуществляется?

На дне океанов обнаружены разломы и срединные хребты, общая длина которых достигает 80 тысяч километров. Как они возникли, в чем причина их появления?

Почему на суше всего сотни вулканов, а на дне океанов их сотни тысяч?

В чем причина длительной и многократно возобновляемой вулканической деятельности?

Как возникают лава и пеплы, выбрасываемые вулканами?

Почему в Антарктиде почти не бывает землетрясений?

Ученые предположили, что основными источниками тепла, обогревающего глубины Земли, служат радиоактивные элементы. Больше всего таких элементов содержится в гранитах, из которых построены верхняя половина коры суши и многокилометровые горные хребты. Однако, по данным измерений, наиболее сильный тепловой поток наблюдается не в горах суши, а в срединных хребтах на дне океанов. Опять-таки почему?

Два химических соединения — хлористый натрий (обычная поваренная соль) и хлористый калий обладают разной растворимостью в воде. Лучше растворяется хлористый калий, но в океанской воде его почему-то в 50 раз меньше, чем хуже растворимого хлористого натрия! Тоже вопрос.

Откуда возникли на дне океанов гигантские залежи, содержащие сотни миллиардов тонн марганца, железа, никеля, кобальта и других элементов?

Каково происхождение глубинной нефти?

Список вопросов можно значительно расширить, но попытаемся ответить хотя бы на эти. Однако, прежде чем приступить к изложению собственных идей, расскажем, как эти загадочные явления объяснялись раньше.

Кора — под обстрелом идей

Происхождение земной коры неотделимо от происхождения Земли как космического тела.

Наиболее разработанная сейчас теория холодного, «пылевого» происхождения планеты предполагает, что некогда вокруг Солнца под действием сил тяготения сконцентрировалось большое количество холодных твердых частиц, из которых сформировались планеты солнечной системы, в том числе и наша Земля. Ее разогрев представляется как постепенный процесс, берущий начало в глубине планеты, там, где господствуют наибольшие силы сжатия. Ядро Земли со временем медленно увеличивалось, образование оболочек происходило в течение всей геологической истории и, возможно, продолжается в настоящее время.

Каким же был состав Земли при ее рождении?

Сейчас многие ученые полагают, что первичное вещество нашей планеты было подобно одной из разновидностей метеоритов — так называемым хондритам. Вообще метеориты делят на две основные группы: железные, состоящие. главным образом из Железа, и каменные — с преобладанием силикатных материалов. Хондриты — типичные каменные метеориты. Их изотопный состав сходен с изотопным составом земного вещества. Химический состав горных пород Земли менялся на протяжении геологической истории, но изотопный оставался неизменным. Таким образом, изучая метеориты, можно узнать о том, какой была наша Земля при ее рождении. В частности, удалось определить первоначальное количество радиоактивных источников тепла по содержанию радиоактивных элементов в хондритах, установить примерный возраст Земли — 4,5 миллиарда лет, представить термическую историю планеты.

Кора суши резко отличается от коры океана по химическому и минералогическому составу. И та и другая еще более отличаются от вещества мантии как по плотности и прочности, так и по химическому составу. Правда, о составе вещества мантии сведения весьма ограниченны.

Для объяснения причин появления различной коры — континентальной и океанической, так же как и для объяснения появления самих континентов и океанов, предложены гипотезы, привлекающие различные космические факторы. Нашему спутнику — Луне — приписывалась роль виновника образования как континентов, так и океанов.

Шведский ученый Г. Альфвен в 1963 году выдвинул гипотезу, объясняющую образование континентов тем, что 3—4 миллиарда лет назад Луна, бывшая якобы самостоятельной планетой, настолько приблизилась к Земле, что разрушилась и часть ее упала на Землю и образовала материковую земную кору, неравномерно покрывающую поверхность Земли. Другая часть стала нашим спутником, а мелкие осколки — метеоритами.

Более 60 лет назад, в 1911 году, Дж. Дарвином была высказана гипотеза, по которой ложе Тихого океана образовалось в результате отрыва части земной поверхности, которая превратилась в нашего спутника — Луну. Эта идея и сейчас находит многочисленных последователей (О. Оппенгейм, Р. Швинер, Г. Квиринг, Г. И. Берлин, Е. Краус и др.).

Канадский геофизик Дж. Т. Вильсон высказал предположение, что земная кора, как и гидросфера и атмосфера, образовалась из вещества мантии вследствие вулканических извержений, выбрасывающих выплавляющиеся в недрах мантии легкоплавкие вещества. Начальной поверхностью Земли Вильсон принимает поверхность Мохоровичича.

В результате таких вулканических извержений прежняя, поверхность Земли якобы осталась глубоко под слоем изверженных пород.

Одним из доводов в пользу этой точки зрения считают то, что, по имеющимся подсчетам, за период после 1800 года 12 действовавших на Земле вулканов выбросили столько материала, что в среднем на каждый год приходится 1,5 кубических километра, или 3 миллиарда тонн. Умножив эту величину на 4,5 миллиарда лет, получают 13,5∙1018 тонн, что близко к массе земной коры суши, равной 15,5∙1018 тонн. Увы, совпадение еще не доказательство ведущей роли вулканизма, тем более что, как теперь стало известно, вулканизм особенно активно проявляется на дне океанов. В то же время кора в океане вдвое меньше по массе и в 5—10 раз тоньше, чем на континентах.

Происхождению земной коры посвящены фундаментальные исследования крупнейших ученых. Известный геолог В. В. Белоусов считает, что радиохимические превращения, идущие в недрах планеты, преимущественно в мантии Земли, вызывая плавление твердого вещества, создают условия для выделения из него легких компонентов, которые всплывают, образуя кору. По его мнению, «в архее весь земной шар был более или менее равномерно покрыт материковой корой, которая в дальнейшем лишь увеличивалась в мощности». Перелом наступил в палеозое, когда в кору поднялся ультраосновной материал, расплавивший гранитную кору, и вместе с ней опустился обратно в мантию. Итогом этого сложного процесса было образование коры океанического типа. Процесс океанизации, по этой гипотезе, продолжается и закончится тем, что все материки потонут в мантии и вся Земля покроется корой океана.

Главный вопрос, на который не отвечает эта гипотеза: как же может легкий, всплывший кверху материал после смешения с еще более легким стать тяжелым и потонуть? Кроме того, процесс образования коры рассматривается без учета быстротекущего процесса эрозии. Ведь материки смываются при существующих темпах всего за 10 миллионов лет.

Советский ученый А. Ф. Капустинский объясняет появление некоторых границ в недрах Земли влиянием давления, которое вызывает изменения в электронной структуре атомов. Внешние электроны, по его мнению, при повышенных давлениях переходят на незаполненные уровни энергии, и атомы приобретают более плотную упаковку. Однако расчеты показывают, что давление на уровне слоя Мохо совершенно недостаточно для таких электронных превращений. Особенно под океанами. Кроме того, глубина положения этого слоя колеблется от 5 до 70 километров, а значит, должны меняться давления и характер электронных преобразований.

Академик А. П. Виноградов выдвинул оригинальную идею о том, что земная кора, атмосфера и гидросфера родились путем выплавления и дегазации вещества мантии в процессах, сходных с зонной плавкой. Что же такое зонная плавка? Этот метод хорошо известен в промышленности: его используют для очистки полупроводников. Он заключается в том, что один конец металлического стержня нагревают до расплавления, а потом нагреватель двигают к холодному концу. Вместе с расплавом туда переносятся все легкоплавкие компоненты, содержащиеся в стержне. Тугоплавкие сосредоточиваются в переднем конце. Если такой движущийся прогрев повторять многократно, то металл в середине стержня хорошо очистится, освободится от легко — и тугоплавких примесей.

Нечто подобное, считает А. П. Виноградов, происходило и при образовании земной коры. На каких-то глубинах в недрах мантии вещество переходило в расплавленное состояние, и этот слой медленно передвигался вверх. На его нижней границе вещество кристаллизовалось, а выделяющееся при этом тепло расходовалось на плавление кровли, и слой поднимался все выше и выше. Процесс зонного выплавления, утверждает А. П. Виноградов, отвечает за все наиболее глубокие геологические превращения, в том числе образование континентов, гор, океанов.

Но и эта гипотеза не объясняет, в результате каких же конкретных процессов образовалась кора континентов и кора океанов, как протекала гранитизация материков? Почему кора материков отличается от коры океанов? Как один тип коры преобразуется в другой? Последний вопрос особенно интересен: ведь в Венгерском срединном массиве, в Мексиканском заливе, в Охотском, Черном, Каспийском морях и в некоторых районах Средней Азии существует ненормально тонкая кора, которая образовалась из мощной континентальной в результате процессов океанизации.

Короче, гипотеза «зонной плавки» также не в состоянии объяснить все ныне существующее многообразие свойств земной коры.

Американский ученый Дж. Кеннеди сделал попытку объяснить процессы, поддерживающие мощность коры и границу Мохоровичича на постоянной глубине. Он начинает изложение своей теории с обоснованной критики предшественников. По его мнению, они не объяснили следующие фундаментальные факты:

«1. Большие площади материков, эродированные до уровня моря, могут внезапно оказаться поднятыми на тысячи футов вверх.

2. Законы физики нарушаются тем, что осадки с низкой плотностью, по-видимому, способны сместить более плотные породы; прогибы осадков низкой плотности, вероятно, опускаются в субстрат, обладающий большей плотностью.

3. Скорость теплопередачи из недр Земли через материки, горные хребты и океанические бассейны в первом приближении одинакова.

4. Срок жизни материков и горных хребтов значительно больше, чем это можно было бы ожидать по скорости эрозии».

Гипотеза самого Дж. Кеннеди основана на представлении об изменениях плотности вещества при изменениях давления. Поднимаясь из недр выше поверхности Мохоровичича, вещество мантии становится менее плотным, то есть веществом земной коры. И наоборот, когда накопившиеся осадки на дне океана проникают вглубь, в мантию, они уплотняются, тяжелеют, становясь веществом мантии. Но этот ученый не разъясняет природу процессов, преобразующих вещество земной коры и мантии: остается загадочным сам механизм перемены плотности. Нет ответа и на «больной» вопрос: почему слой Мохо лежит на разной глубине под океанами и под материками?

Гипотеза Дж. Кеннеди скорее описывает свойства земной коры, чем объясняет их при помощи единого механизма или группы механизмов. В ней отсутствуют детализация и обобщение, а потому и нет нужных ответов.

Были высказаны и другие идеи. Например, переход вещества мантии в вещество коры связывали с присоединением воды при так называемом процессе серпентинизации. Десерпентинизация, отделение воды, должно, по мнению авторов гипотезы, преобразовывать земную кору в мантию. Некоторые ученые считают, что поверхность Мохоровичича под океанами и под сушей имеет совершенно различное происхождение.

Все, или почти все, упомянутые гипотезы по существу рассматривают преимущественно механическую сторону процессов образования земной коры. Откуда она пришла — сверху, снизу или в результате растекания? В каком состоянии она пришла — в твердом или расплавленном? Дж. Кеннеди рассматривает и вопросы превращения вещества мантии в вещество земной коры, но он ограничивается только процессами изменения плотности веществ.

Земная кора — сложная система, и в ней вершатся одновременно и физические, и химические процессы, меняя все свойства вещества. Поэтому в науке о земной коре легче обнаружить парадоксы, чем найти им. объяснение. Так, например, американский геолог Н. Остензо подсчитал, что эрозия на протяжении геологического времени могла уже восемьсот (!) раз смыть Северную Америку до уровня воды в океане. Но вместо попытки дать объяснение этому он пишет: «Можно считать, что континенты вынесли много сражений с океаном, и война эта никогда не прекращалась».

Существующие гипотезы дают возможность ответить на один, два, три вопроса, адресованных земной коре. Редкая теория приоткрывает завесу с десятка загадок. И ни одна не в силах дать истолкование всего многоликого бытия коры планеты. Есть пояснения частностей, но нет необходимого обобщения, нет единого понимания, не найден универсальный подход.

А может ли такой подход существовать в принципе? По-видимому, не только может, но и должен. Земная кора — единое целое, и ее развитие подчинено каким-то общим закономерностям, но для обнаружения их необходим новый подход к известному материалу. Советский геофизик Р. М. Деменицкая пишет: «Одно не вызывает сомнения — все особенности коры — от характера рельефа твердой Земли и вариаций ее толщины от места к месту до перестройки структуры слоев — свидетельствуют о высокой организованности внутренних процессов. Земля как космическое тело, по-видимому, представляет гибкую саморегулирующуюся систему, обладающую большими компенсационными возможностями и еще далеко не исчерпанными источниками развития».

Р. М. Деменицкая не называет, какие именно внутренние процессы ответственны за высокую организованность земной коры, но находит точное, яркое определение Земли как космической системы. Именно гибкая, развивающаяся система с высокой устойчивостью. Уже приведенные высказывания В. И. Вернадского и наши соображения о роли воды в образовании земной коры вселяют надежду, что механизм земной коры, ее организованность, быть может, создаются в той мастерской нашей планеты, которая названа дренажной оболочкой.

Возражения оппонентов

Против представления о наличии дренажной оболочки выдвинуто несколько возражений. Одни оппоненты считают, что в недрах Земли, как и в недрах других планет, например Луны и Венеры, может полностью отсутствовать вода, а значит, и ее циркуляция. А поскольку у Лупы имеется кора, то, следовательно, ни о каком участии воды в ее образовании не может быть и речи.

Другие оппоненты отрицают возможность образования дренажной оболочки потому, что, по их убеждению, недра земной коры сложены породами, которые абсолютно непроницаемы ни для воды, ни для пара и газов, так как всякие, даже мелкие, трещины на глубинах 3—5 километров моментально «захлопываются» под давлением вышележащих пород.

Есть, кроме того, возражения, основанные на том, что свойства воды и пара при вышекритическом давлении совершенно одинаковы, откуда следует, что никакой вертикальной циркуляции в недрах быть не может.

Мы не можем согласиться с предположением, что в недрах земной коры нет воды. Ведь в недрах Земли обнаружено множество гидротермальных месторождений самых различных полезных ископаемых, причем их происхождение явно свидетельствует о накоплении руд и других ископаемых в результате деятельности горячих водных растворов. Из недр выбрасываются огромные массы водяных паров и водных растворов при вулканических извержениях, из недр же вышла вода Мирового океана.

Нельзя также согласиться с утверждением о полной непроницаемости пород коры. В числе факторов, обусловливающих трещиноватость и проницаемость пород, можно указать следующие.

Поверхность суши, особенно горных областей и возвышенностей, постоянно разрушается, и продукты этого разрушения смываются, реками в океан. Материки становятся легче и всплывают. Вслед за ними поднимаются горячие породы мантии, они охлаждаются и, уменьшаясь в объеме, растрескиваются на блоки. Кроме того, каждый восходящий участок коры, поднимаясь кверху, получает несколько большую, чем он занимал внизу, площадь. И этому, конечно, способствуют вертикальные и горизонтальные движения коры, вызываемые перемещением приливных горбов и впадин, обегающих земной шар дважды в сутки.

О проницаемости пород земной коры свидетельствуют:

  • бурение глубинной скважины на Кольском полуострове, которое показало, что изверженные породы на глубине свыше 7 километров не только являются вполне проницаемыми, трещиноватыми и заполненными горячими растворами, но и содержат гелий, углекислый газ, углеводороды. В этих кристаллических и древнейших породах обнаружены следы жизни;
  • колебания уровня воды в скважинах и колодцах при землетрясениях. При сильнейшем за последние 100 лет землетрясении на Аляске 27 августа 1964 г. в 24 наблюдательных колодцах на расстоянии 2200 километров в Канаде, в 3 скважинах на расстоянии 3219 километров в штате Манитоба, в одной скважине на расстоянии 4828 километров у Оттавы амплитуда колебаний уровня воды была от 3 миллиметров до 1,5 метра;
  • изменение уровня воды в находящихся далеко от океана озерах во время приливов и отливов;
  • высокая электропроводность слоев коры над поверхностью Мохоровичича в дне океана;
  • наличие изменчивых по силе и по местоположению локальных источников магнитных аномалий;
  • волноводные свойства слоев земной коры, особенно находящихся над поверхностью Мохоровичича.

Некоторые оппоненты отрицают всякую возможность вертикальной циркуляции восходящего пара и нисходящих растворов. Один из них пишет:

«При 1 атмосфере чистая вода кипит при 100° С. С повышением давления точка кипения повышается. При давлении 217,96 атмосфер вода кипит при 374,15°; это — критическая точка; здесь критическое давление и критическая температура. При более высоком давлении вода не кипит вовсе: отсутствует граница между жидкостью и паром, и никаких видимых изменений в воде с повышением температуры не происходит. При таких давлениях только очень условно можно назвать холодную воду жидкостью, а очень горячую (скажем, несколько сот, градусов) — паром (или газом)… В столбе жидкой воды критическое давление достигается на глубине 2,2 км. Но и на той маленькой глубине, где вода может кипеть при критической температуре, при таком кипении никакого выпадения солей не произойдет… В критической точке растворимость всех соединений и в жидкости, и в паре совершенно одинакова».

Другой оппонент пишет: «При давлении выше критического (225,65 ата) изменения температуры не сопровождаются фазовыми превращениями и все свойства вещества изменяются плавно… Понятия «жидкость» и «пар» не имеют смысла».

Удивительно странными являются эти категорические отрицания возможности сосуществования жидких растворов и паров при давлениях выше критического для чистой воды. Ведь каждый раствор в зависимости от концентрации в нем того или иного вещества имеет свою критическую температуру и свое критическое давление. Например, пятипроцентный раствор поваренной соли переходит из жидкого в надкритическое состояние при 417° С и его пар создает давление 320 атмосфер. Если же такой раствор нагреть в автоклаве не до 417°, а, скажем, до 410°, то он не весь превратится в пар: на дне автоклава будет жидкий раствор, и пар создаст над ним давление не 320, а на несколько атмосфер меньше. Если же на дно автоклава насыпать соль, то концентрация ее в растворе будет по мере нагрева автоклава увеличиваться и раствор все время оставаться жидким, а над ним будет пар с содержанием соли, в сотни раз меньшим, чем в жидком растворе.

Особенно сложна история сосуществования паровых и жидких растворов земной коры. Ведь наряду с солями и минералами, растворимость которых сходна с поведением поваренной соли, в недрах присутствуют и другие, такие, например, как горькая английская соль (сернокислый натрий), растворимость которых при температурах до 200—250° в тысячи и в миллион раз превышает их растворимость при критических для чистой воды температуре и давлении. Такие растворы не могут проникать ниже изотермической поверхности с температурой 374°, но, взаимодействуя с различными минералами вмещающих пород, они могут изменить свой состав и концентрацию и опуститься ниже. Там также, вероятно, протекают различные химические реакции, разрушаются соединения нестойкие в тех условиях и возникают устойчивые. Даже вода при существующих там условиях энергично реагирует со многими минералами, присоединяясь к ним. При несколько более высоких температурах, наоборот, происходит отщепление воды. Такие реакции могут изменять концентрацию растворов, их массу и объем. Эти изменения могут существенно сказываться на давлении, под которым находятся растворы, а значит, и на фазовых переходах растворов из жидкого в паровое состояние, и наоборот.

Обычно считается, что с глубиной в недрах земной коры закономерно повышается и температура, и давление, но давление, господствующее в полостях, заполненных растворами и парами, создается не весом пород, а весом столба растворов. Кроме того, сложная система разломов и других пустот может быть то единой и сообщающейся с земной поверхностью, то разбитой на части, временно замкнутые, давление в которых определяется изменениями их объема. Такие изменения возможны под влиянием перемещения в коре приливной волны. Связывание воды при серпентинизации или ее освобождение также может менять объем растворов, а значит, и их давление.

В сложной и многообразной судьбе водных и паровых растворов, заполняющих недра земной коры, многое еще далеко от полной ясности. Однако нет сомнений, что жидкие растворы, образующиеся в земной коре и опускающиеся книзу, обязательно переходят в паровое состояние. Пар может быть насыщенным, и он обязательно конденсируется при давлениях, равных критическому и даже меньших, чем критическое. Но температуры при этом должны быть ниже критической. Пар может быть перегретым, и, если он перегрет выше 374° С, он уже надкритический, и те давления, какие господствуют в недрах земной коры, не могут заставить его сконденсироваться в жидкость. Но если пар поднимется в те слои, где температура ниже 374° С, он обязательно превратится в жидкую воду, которая растворит компоненты окружающих пород. Раствор же неудержимо будет стремиться вниз. Критическое давление. 218 атмосфер никакого отношения к процессам перехода растворов в пар в слоях коры с вышекритической температурой не имеет.

Решает эксперимент

Экспериментальное моделирование возможности вертикальной циркуляции пара и жидких растворов и проверка влияния такой циркуляции на химический состав пород были осуществлены в автоклаве из нержавеющей стали.

В автоклав длиной 350 миллиметров, диаметром 20 миллиметров было загружено 110 кубических сантиметров порошка пород с размерами частиц от 0,3 до 0,4 миллиметра. В поры загрузки было добавлено 20 кубических сантиметров двухпроцентного водного раствора соды и поваренной соли. Наружный электрический обогрев поддерживал температуру одного конца автоклава несколько ниже 374°, другого — выше 400°. Нагрев был начат 16 августа 1975 и закончен 13 сентября 1975 г. Давление пара колебалось в пределах 230—310 атмосфер и в среднем составляло 250 атмосфер. После 26 суток работы автоклав был охлажден, вскрыт и разгружен. Заслуживает внимания то, что породы изменились физически. Вместо порошка образовалась довольно прочная порода, «прикипевшая» к стенкам автоклава. Полученный продукт был разделен на части, промыт, высушен и подвергнут анализу на содержание основных окислов.

Произошло весьма существенное изменение химического состава порошка. Та часть порошка, которая находилась при температуре ниже критической, отличается по содержанию кремнезема от той, которая была при температуре выше критической на 12,77%. Окислы других элементов, особенно окислы алюминия и магния, перемещены в противоположном направлении.

В земной коре кремнезем концентрируется в порошках, находящихся при температуре ниже критической, там же находятся граниты, в которых накапливаются радиоактивные элементы. Поэтому было интересно узнать, переместились ли радиоактивные элементы вместе с кремнеземом? Измерения бета-излучения образцов убедительно показали, что число импульсов в порошке, обогащенном кремнеземом, вдвое превышает их число в исходном порошке и в пробе, обедненной кремнеземом. Это значит, что соединения тория и урана тоже были перемещены вместе с кремнеземом. Нельзя не признать, что в эксперименте получены весьма убедительные сведения, подтверждающие аналогичность процессов, протекавших в автоклаве, с процессами, способными создать обе разновидности земной коры — материков и океанов.

Таким образом, результаты эксперимента не оставляют места для сомнения в том, что в автоклаве происходила вертикальная циркуляция пара и водных растворов. Только такая циркуляция могла выполнить работу по переносу вещества. Но такой перенос, то есть выщелачивание хорошо растворимых соединений в растворах и выдувание хорошо летучих веществ с паром, и есть доказательство наличия дренажной оболочки.

Конечно, результаты экспериментов по моделированию дренажной оболочки не могут считаться истиной в последней инстанции. Но описанный опыт не дает повода сомневаться в возможности вертикальной циркуляции и в способности ее производить именно те химические изменения, которые создают земную кору и постоянно поддерживают ее внутреннюю организованность.

Источник: С.М. Григорьев, М.Т. Емцев. Скульптор лика земного. Изд-во «Мысль». Москва. 1977

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: