25292 (Происхождение Земли. Эволюция недр)

Происхождение Земли. Эволюция недр

Давайте представим невероятное. Например, что бы мы увидели, если земной шар расколоть пополам? Нашему взору представилось бы тело, состоящее из нескольких концентрических оболочек, как бы вложенных одна в другую. Наиболее отчетливо выделились бы три геосферы: литосфера, мантия и ядро.

Идея о сферическом строении нашей планеты была высказана профессором Геттингенского университета Э. Вихертом в конце XIX в. В начале XX в. выдающийся австрийский геолог Э. Зюсс предложил выделять пять оболочек Земли, каждой из которых было дано название, исходя из главенствующих в ней элементов. Так были выделены сиаль (Si+Al), сима (Si + Mg), хрофесима (Сї+Si+Mg), нифесима (Ni+Fe+Si + Mg) и нифе (Ni+Fe).

В дальнейшем идея о внутреннем строении Земли получила научное обоснование. Глубокие скважины и шахты дают возможность геологам изучить лишь самую верхнюю, тончайшую часть литосферы. Долгое время рекордной считалась глубина, которой достигла скважина в штате Оклахома (США), — 9583 м. В настоящее время осуществляется программа изучения недр страны с помощью бурения сверхглубоких скважин.

Гораздо меньшую глубину имеют шахты. Максимальная глубина шахты в Южной Африке 3428 м. Если сравнить эти величины с средним радиусом Земли, то окажется, что даже самая глубокая скважина проникла в тело Земли точно так же, как булавочный укол в толстую кожу бегемота.

Но каким же образом геологи строят свои предположения о внутреннем строении Земли? Оказывается — благодаря применению специальных геофизических приборов и методов. Одним из главных является сейсмический метод. Суть его заключается в следующем. На поверхности земли искусственно (с помощью взрывов) создаются упругие колебания, которые распространяются вглубь Земли. Чем плотнее среда, тем выше скорость; в жидкостях эти упругие колебания почти не распространяются. Проходя границу раздела двух сред с различной плотностью, сейсмические волны частично отражаются и возвращаются обратно на земную поверхность, где улавливаются специальными чувствительными приборами. По возвратившимся на земную поверхность колебаниям можно восстановить глубину залегания разделяющей поверхности и даже установить физическую природу среды.

О строении самой верхней части литосферы — земной коры — мы говорили выше. Напомним, что континентальная кора состоит из трех слоев: осадочного, гранитно-метаморфического и базальтового. В океанической коре полностью отсутствует гранитно-метаморфический слой, а мощность базальтового в несколько раз меньше, чем под континентами.

Земная кора отделяется от нижележащего слоя поверхностью с существенно различной скоростью распространения упругих волн. На больших глубинах базальты могут находиться в расплавленном состоянии. Этот ослабленный слой, близкий к плавлению или даже со держащий расплавы легкоплавких пород и залегающий под литосферой, носит название астеносферы. Благодаря пластичности астеносферы, лежащие выше ее твердые блоки (плиты) коры могут скользить по ней. Ее существование было обнаружено Б. Гутенбергом по уменьшению скоростей распространения упругих волн. Поэтому нередко астеносферу называют слоем Гутенберга. Под континентами астеносфера располагается на глубине 120—250 км, а под океанами — на глубине 30-60 км. Однако под осями срединно-океанических xpебтов она нередко подходит близко к поверхности дна.

Залегающий под астеносферой слой распространяется до глубин около 400 км. При переходе этой границы скорость сейсмических волн резко возрастает. Этот слой вместе с астеносферой и частично литосферой, расположенной под земной корой, называется верхней мантией Как предполагают ученые, она состоит из плотных темных пород — возможно, перидотитов, дунитов и эклогитов.

Средняя мантия, или слой Голицына, простирается до глубин 1000 км. В этом слое примерно на отметке 700 км наблюдается еще одно возрастание скорости распространения сейсмических волн. Это явление даже связывается с дальнейшим уплотнением вещества. На нижней границе слоя Голицына скорости распространения сейсмических волн замедляются.

Нижняя мантия залегает до глубины 2920 км. Далее располагается земное ядро.

Внешняя его часть, до отметки 4980 км, занимает 15,16% объема и 29,8% массы всей Земли. Она хорошо пропускает продольные волны, но поперечные сейсмические волны через нее не проходят. На этом основании предполагается, что данный слой находится в расплавленно-жидком состоянии. Косвенным подтверждением является наличие приливных колебаний внутри Земли. Существуют колебания Земли относительно оси ее вращения с периодом около 1,2 года.

Внутреннее ядро имеет радиус 1250 км, около 0,7% объема и 1,2% массы всей Земли. Продольные сейсмические волны проходят сквозь ядро со скоростями 11,1—11,4 км/с. Однако факты прохождения поперечных волн свидетельствуют о том, что внутренняя часть ядра является твердым телом, по-видимому, близким к расплавленному состоянию.

Таким образом, Земля представляет собой сложную систему. Это вращающийся вокруг своей оси и вокруг Солнца толстостенный шар с внутренней полостью, заполненный жидкостью, в которой находится небольшое шарообразное твердое ядро. Оно удерживается в центре системы силами тяготения.

Насколько верны представления о составе пород, основанные на скоростях прохождения сейсмических волн? Но, для того чтобы проверить это, необходимо полностью пробурить земную кору. Ведь есть на Земле места, где граница Мохоровичича располагается на глубине 5—10 км. Достичь этих глубин для современной буровой техники не проблема.

Достичь загадочной мантии. Такую сложную задачу поставили перед собой геологи. Однако сначала решили проникнуть в базальтовый слой. Было принято считать, что он залегает довольно близко от поверхности не только в океанах, но и в некоторых частях континентов. Остановились на Кольском полуострове, где и была заложена первая в мире сверхглубокая скважина.

Кольская сверхглубокая скважина даже внешне производит неизгладимое впечатление. Огромное надскважинное сооружение напоминает собой высокое заводское здание. Действительно, это целый завод, в котором сосредоточены устройства для подъема и опускания многокилометровых труб, сделанных из специальной стали. Процесс бурения и смена бурового инструмента осуществляются с помощью электроники. Скважина достигла больших глубин, и уже само по себе это большое техническое достижение.

Результаты бурения оказались довольно неожиданными. Там, где, по геофизическим данным, предполагалось наличие базальтового слоя исходя из резкого изменения скоростей прохождения волн, скважина пересекла светлые архейские гнейсы. Это сильно измененные, или метаморфизованные, горные породы осадочного или вулканического происхождения с высоким содержанием кремнезема и, что очень важно, одна из главных составных частей гранитного слоя. Скважина углубилась за отметку 12 км, но базальтов здесь не оказалось. Неужели это новый геологический парадокс? Пропали базальты, залегающие под гранитно-метаморфическим слоем, хорошо зафиксированные по скоростям прохождения сейсмических волн. Исчез опорный слой, по которому строили свои выводы геофизики. Что же тогда все предположения геологов и геофизиков о строении глубоких частей земной коры оказались неверны ми? Нет, это не так. Сверхглубокое бурение еще раз показало, насколько сложны природные процессы и кап не просто построены глубокие части нашей планеты. В данном случае резкое изменение скоростей волн связано не с переходом от «гранитного» слоя к «базальтовому», а с имеющим место на больших глубинах разуплотнением пород за счет образования трещин при высвобождении воды из кристаллических решеток минералов под воздействием высоких давлений и температур.

Результаты бурения заставляют осторожно относиться к геологической интерпретации данных, получаемых при геофизических исследованиях. Сейчас надо учитывать, что повышенные скорости распространения сейсмических волн на глубине могут быть вызваны разными причинами. Здесь играют роль не только увеличение плотности пород, но и существующие длительное время на больших глубинах всякого рода тектонические нарушения. В районе расположения скважины на плотность пород повлияло наличие крупной пологой трещиноватости. При движении по ее плоскости масса горных пород сильно уплотнилась, а это отразилось на скорости распространения сейсмических волн.

Результаты бурения опровергли укоренившееся мнение о распределении температур в глубинах Земли. Ранее предполагалось, что в пределах Балтийского щита и подобных ему регионов увеличение температур с глубиной незначительное. Ожидалось, что на отметке около 7 км температура достигнет 50°С, а на глубине около 10 км — 100°С. В действительности температура оказалась значительно выше. До глубин 3 км температура увеличивалась на 1°С через каждые 100 м, что соответствовало расчетам. Но затем ее прирост достиг 2,5°С на каждые 100 м, и, таким образом, на глубине 10 км температура оказалась равной 180°С. Предполагается, что столь высокая температура обязана интенсивному тепловому потоку, идущему от разогретой мантии.

На глубинах 6,5—9,5 км выявлены зоны низкотемпературного гидротермального оруденения (медные, свинцовые, цинковые и никелевые), которые ранее считались близповерхностными образованиями. В процессе бурения Кольской сверхглубокой скважины обнаружены газы и сильно минерализованные воды, насыщенные бромом, йодом и тяжелыми металлами. Газы представлены гелием, водородом, азотом и метаном. Воды и газы циркулируются в мощных зонах тектонических нарушений. Полученные сведения дают основания полагать, что процессы рудообразования, в которых участвуют газы и минерализованные воды, на больших глубинах продолжаются.

Чтобы изучить глубинное строение Земли надо проводить геологические исследования в комплексе с бурением сверхглубоких скважин и разнообразными геофизическими наблюдениями.

Рождение земли

Мысль о возможных причинах возникновения нашей планеты волновала философов еще в глубокой древности. Хотя первые представления основывались на непосредственных наблюдениях над природой, но в них главенствующую роль занимали фантастические вымыслы. Тем не менее возникали идеи, которые и сегодня поражают нас близостью с нашими представлениями о происхождении Земли.

После тяжелой поры средневековой эпохи господства богословия произошло возрождение науки и техники. Труды Леонардо да Винчи, Николая Коперника, Джордано Бруно, Галилео Галилея подготовили почву для появления прогрессивных космогонических идей. Они в разное время были высказаны Р. Декартом, И. Ньютоном, И. Кантом и П. Лапласом.

С момента появления космогонической теории И. Канта и П. Лапласа происхождение Солнечной системы долгое время остается предметом непрекращающихся дискуссий. Длительное время господствовала гипотеза о конденсации планет из раскаленных сгустков солнечных газов. Сейчас установлено, что вначале ничего не было. Пространство, время и вещество в нашей Вселенной возникли около 15 млрд. лет назад в результате Большого Взрыва. По мере расширения и остывания Вселенной вещество начало разрежаться, затем из гигантских туманностей стали образовываться звезды и галактики. Наша планетная система появилась из холодного газопылевого облака, которое в далеком прошлом существовало вокруг Солнца. Атомы вещества, из которых состоят Солнце и планеты, возникли при взрыве сверхновых звезд, а эти взрывы происходили в нашей Галактике на протяжении по крайней мере 10 млрд. лет. Большую ценность для научной разработки гипотез о происхождении нашей планеты имеют метеориты — пришельцы из далекого космоса. Изучая каменные и железные метеориты, ученые получают неоценимую информацию, которую широко используют в космогонических представлениях. В настоящее время к этим данным добавились сведения о химическом составе пород Луны, атмосферы и пород Марса и Венеры. Оказалось, что химический состав метеоритов близок к среднему земному, а их возраст, так же как и возраст пород Луны, определяется 4—5 млрд. лет.

По крупицам, по отдельным разрозненным фактам складывалась научная основа современных космогонических гипотез. Огромная роль в обосновании современной гипотезы происхождения Земли и Солнечной системы принадлежит советскому ученому академику О.Ю. Шмидту.

Исходным веществом для образования Солнечной системы послужило газопылевое облако. Оно находилось в холодном дисперсном состоянии и содержало в основном летучие компоненты: водород, гелий, азот, кислород, метан, углерод и т. д. Первичное планетное вещество было однородным, и его температура была низкой.

Вследствие сил тяготения межзвездные облака начинали сжиматься. Вещество уплотнялось до стадии звезд, одновременно возросла его внутренняя температура. Движение атомов внутри облака ускорялось, и, сталкиваясь друг с другом, атомы иногда объединялись. Возникали термоядерные реакции, в процессе которых водород превращался в гелий, при этом выделялось огромное количество энергии.

В страшном реве и взрывах, сопровождавших термоядерные реакции, в неукротимом буйстве стихий родилось древнее Солнце — Протосолнце. Его рождение — это вспышка сверхновой звезды, при которой излучается гигантская энергия. Из протопланетного облака в дальнейшем возникли планеты, кометы, астероиды и другие космические тела нашей Солнечной системы. Рождение Протосолнца и протопланетного облака, имевших довольно высокую температуру, произошло около 6 млрд. лет назад.