Факультет

Студентам

Посетителям

Распределение плотностей внутри Земли

Масса Земли равна 5,98 X 1024 кг, т. е. около 6 тыс. триллионов т, а её средняя плотность 5,52 г/куб. см. Вместе с тем средняя плотность внешних слоёв земной коры вдвое меньше.

Сопоставляя эти цифры, необходимо прийти к выводу, что внутренность нашей планеты должна иметь плотность не менее 8,37.

В центре Земли плотность достигает 17,2 г/куб. см при давлении 3 млн. атм и что она особенно резким скачком (от 5,7 к 9,4) меняется на глубине 2900 км, а затем на глубине 5 тыс. км. Первый скачок позволяет выделить в земном шаре плотное ядро, а второй — подразделить это ядро на внешнюю (2900—5000 км) и внутреннюю (от 5 тыс. км до центра) части.

Естественнее всего думать, что столь высокая плотность центральных частей обусловлена огромными давлениями, существующими в глубине Земли, в результате чего материя находится там в состояние исключительно большого сжатия. Это объяснение сейчас приобретает всё большее число сторонников. Пока давление в Земле не достигает известного критического предела — плотность изменяется постепенно; когда этот предел (видимо, 1,3 млн. атм) достигнут, — вещество скачком переходит в более плотную «металлоподобную» фазу.

Другое объяснение сводится к предположению, что внутренность Земли состоит из веществ большего удельного веса, чем земная кора, преимущественно из металлов. Так как плотность и твёрдость внутренних частей Земли сравнительно мало отличаются от плотности и твёрдости железа в обычных физических условиях, то большинство учёных придерживается мнения, что земное ядро построено из железа с примесью никеля. Таким образом, вторая гипотеза постулирует расслоение Земли на оболочки, резко отличающиеся по своему химическому составу; первая же, не отрицая известной дифференциации вещества по удельному весу, главную причину изменения плотности материи внутри Земли видит в физических условиях (возрастании давления) и полностью отрицает существование металлического ядра. Средняя плотность планет тем выше, чем больше размеры планеты: Меркурий 3,8 г/куб. см, Марс 3,93, Земля 5,52. Это говорит о возможности значительного уплотнения вещества под действием возрастающего давления.

Особенно крупные услуги в изучении глубоких недр земного шара оказывает сейсмология, наука о землетрясениях. Сейсмические волны в руках современных геофизиков стали своего рода лучами, как бы просвечивающими нашу планету и позволяющими делать известные заключения об её внутреннем состоянии и строении.

Землетрясение — это результат внутренних напряжений в земном веществе, приводящих к разрыву масс и к их смещению. Смещение может быть очень небольшое, но упругие волны, порождённые им, распространяются в теле Земли на громадные расстояния от места своего возникновения, именуемого очагом. Центр тяжести сейсмического очага носит название гипоцентра. Действие волн скажется для нас прежде всего в той точке (вернее области) земной поверхности, которая находится ближе всего к очагу, — в так называемом эпицентре, лежащем на одной вертикали с гипоцентром.

Упругая волна — сферическая. Радиусы сферы, т. е. траектории распространения волн, называются сейсмическими лучами.

При землетрясении возникают волны трёх родов:

1) продольные волны (Р), могут возникать в любых телах — твёрдых, жидких и газообразных; напоминают звуковые волны; движутся быстрее всех других волн, порождаемых землетрясением;

2) поперечные волны (S), движущиеся медленнее продольных; напоминают световые волны; являются волнами сдвига, могут возникать и распространяться только в твёрдой среде;

3) ещё более медленные поверхностные волны (L) — сложная группа волн, которые образуются только в поверхностных частях земной коры, а на глубине затухают; начинаясь от эпицентра, они вызывают на земной поверхности сильные смещения и разрушения.

Все эти волны расходятся от сейсмического очага разными путями, вследствие чего на станции, удалённой от эпицентра, прибытие их регистрируется разновременно. Позже всего приходят длинные волны L, так как они распространяются только по периферии Земли. Волны Р и S, пронизывающие тело Земли на больших глубинах, приходят раньше, причём первыми регистрируются более быстрые продольные волны (Р — primae — первые), а затем более медленные поперечные (S — secundae — вторые).

Если бы тело Земли было однородно, сейсмические лучи волн Р и S были бы прямыми линиями. Постепенное увеличение плотности Земли с глубиной дало бы вогнутые траектории, обращённые выпуклостью внутрь Земли. Если же плотность Земли с глубиной меняется скачками, то в этих вогнутых кривых должны быть переломы на границах сред, обладающих разными плотностями, не говоря уже о частичном отражении волн. Именно последнюю картину мы и наблюдаем.

Исследование скоростей сейсмических волн, их характера и траекторий приводит к следующим заключениям:

1) при прохождении сквозь тело Земли продольных и поперечных волн скорости этих волн изменяются, что свидетельствует об изменениях свойств проходимой ими среды;

2) скорости изменяются скачками, — значит, изменение свойств среды происходит тоже скачками;

Имеется в сущности два резких перелома скоростей: на глубине 60 км и на глубине 2900 км. Иными словами, отчётливо обособляются только внешний слой (земная кора) и внутреннее ядро. В промежуточном между ними поясе, а также внутри ядра налицо лишь изменение темпа увеличения скоростей.

Видно также, что Земля до глубины 2900 км находится в твёрдом состоянии, так как через эту толщу свободно проходят поперечные упругие волны, которые только и могут возникать и распространяться в твёрдой среде. Прохождение поперечных волн сквозь ядро не наблюдалось, и это давало основание считать его жидким. Однако новейшие расчёты М. С. Молоденского показывают, что хотя модуль сдвига в ядре невелик, но всё же не равен нулю (как это характерно для жидкости) и, стало быть, ядро Земли ближе к твёрдому, чем к жидкому состоянию. Разумеется, в данном случае понятия «твёрдого» и «жидкого» нельзя отождествлять с аналогичными понятиями, применяемыми к агрегатным состояниям вещества на земной поверхности: внутри Земли господствуют высокие температуры и огромные давления, каких нет в ландшафтной оболочке.

О химическом составе внутренних частей планеты нет единодушного мнения, так как говорить о химическом составе вещества, опираясь по сути дела только на представления об изменении его плотности, весьма затруднительно.

Земная кора состоит преимущественно из гранитов; осадочные породы в ней имеют подчинённое значение. Под гранитной оболочкой предполагают существование слоя, близкого по составу к базальту или перидотиту. На сравнительно уже небольших глубинах, где температура и давление достаточно высоки, твёрдые горные породы обладают свойством пластичности, т. е., подвергаясь давлению, способны менять свою форму и сохранять это изменение формы после прекращения давления.

Гранитная оболочка, в составе которой огромную роль играют кремний (Si) и алюминий (Al), называется «сиалической», или просто «сиаль». Удельный вес её в среднем 2,7—2,8. Она не сплошная и характеризуется переменной мощностью: в Западной Европе и Северной Америке 26—28 км, на Кавказе 50 км, в Тянь-Шане 84 км, в Атлантическом океане до 18 км; в центральных частях Тихого океана сиаля нет вовсе. И прерывистость распространения, и различная мощность одинаково говорят против того, что гранитная оболочка есть результат застывания первоначально расплавленной земной поверхности, т. е. «жора» в собственном смысле этого слова: из расплава должна была бы образоваться сплошная сиалическая оболочка и притом одинаковой толщины.

Подстилающий гранитную оболочку базальтовый слой, где, кроме кремния и алюминия, важную роль играет ещё и магний, принято сокращённо обозначать «сима» (силиций + магний). Эта оболочка, удельный вес которой 3,2—3,3, уже сплошная. В глубоких местах Тихого и Атлантического океанов сима либо непосредственно слагает самое дно, будучи перекрыта небольшой толщей морских грунтов и водой, либо отделена от воды тонкой (около 5 км) корой сиаля.

Чем можно объяснить расслоение Земли по крайней мере на две концентрические сферы, облекающие плотное ядро?

Земля возникла как холодное тело из постепенно разраставшегося сгустка космической пыли и была первоначально однородна по своему составу в том смысле, что вещество её представляло беспорядочную смесь частиц различного удельного веса. По достижении планетой определённых размеров в ней началась физико-химическая и гравитационная дифференциация вещества, т. е. очень медленное опускание более тяжёлых элементов вглубь и поднятие более легких кверху. На глубине скорость этого процесса была меньше, чем в верхних слоях, так как вязкость вещества, под влиянием всё возрастающего давления, с глубиной увеличивается. Надо поэтому думать, что обособление так называемой земной «коры» и обособление ядра обязаны существенно разным причинам. Ядро возникло путём скачкообразного уплотнения вещества, когда внутри растущей планеты давление достигло некоторого критического значения. По Б. Ю. Левину, это могло случиться только после того, как масса Земли выросла до 0,8 её современной массы; образование ядра сопровождалось, вследствие уменьшения объёма центральных частей планеты, опусканием поверхности Земли примерно на 100 км. Что касается поверхностных слоёв, то здесь дифференциация протекала легче и притом в своём наиболее чистом виде: из однородной массы базальтового состава выделились и всплыли кверху более лёгкие кислые составные части. Возникновение ядра сузило область действия дифференциации: его уплотнённое давлением вещество в значительной степени утеряло «потребность» (и физическую возможность) к всплыванию на более высокие уровни за пределы ядра. Уже одно это говорит против предположения, будто ядро может состоять из какого-то одного, почти в совершенстве «отпрепарированного» вещества (например, железа). По-видимому, оно даже гораздо меньше дифференцировано, чем вышележащие слои.

Хорошее доказательство дифференциации можно найти в характере извержений современных нам вулканов. Последнее извержение Геклы началось 29 марта 1947 г. и продолжалось 13 месяцев, причём лава начальной фазы извержения состояла из более кислых продуктов (59% SiO2), чем лава последней фазы (54% SiO2 — базальт). Очевидно, более кислая лава поступала из верхних частей магматического бассейна, основная — из более глубоких. Это свидетельствует, что за сто лет, прошедших со дня предыдущего извержения (1845 г.), в магматическом очаге, находившемся в спокойном состоянии, лава как бы «отстоялась», произошла её гравитационная дифференциация: более кислые лёгкие части оказались вверху, более основные, тяжёлые — внизу.

Если какой-нибудь вулкан извергается часто — лава не успевает дифференцироваться и заметного различия в продуктах извержения нет. Но чем дольше период покоя между извержениями, тем глубже дифференциация, — оттого одни и те же вулканы в одних случаях изливают основную лаву, в других кислую.

Излияние жидкой расплавленной лавы на поверхность не противоречит утверждению, что недра Земли находятся в твёрдом состоянии. Отдельные магматические очаги могут возникать под влиянием разогрева земной коры в областях значительной местной концентрации радиоактивных элементов. Кроме того, на больших глубинах, где температуры высоки и в обычных условиях были бы достаточны для расплавления горных пород, последние продолжают оставаться твёрдыми по причине колоссальных давлений, повышающих температуру плавления. Следовательно, достаточно ослабить давление, чтобы перегретое вещество перешло в жидкость и стало содержащимися в нём газами увлекаться к поверхности Земли. При гравитационной дифференциации восходящие движения, т. е. перенос вещества в области убывающего давления, осуществляются в самом широком масштабе.

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



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: