Подорож до центру Землі

У романі Жюля Верна герої спускаються в кратер вулкана, щоб досягти глибин нашої планети. Насправді в її надрах панує пекельна спека, а тому вчені можуть зробити лише уявну подорож до центру Землі, використовуючи результати супутникових спостережень, комп’ютерні моделі, дані сейсмічних досліджень. Що ж нового відкривається їм?

Земля покрита тонкою оболонкою – корою, яка на суші набагато могутніше, ніж під океанами. Земна кора – лише «шкіра» нашої планети. Багато геологічні феномени «кореняться” не тут – вони обумовлені процесами, що протікають глибоко в надрах Землі, в її мантії, на частку якої припадає 82% обсягу всієї планети.

Дослідження мантії принесе ще чимало несподіваних відкриттів. Лише верхня її частина начебто не таїть нічого особливого. Разом з корою вона утворює літосферу, що складається з окремих фрагментів – плит. Ця область Землі добре вивчена. Але вже в 50-100 кілометрах від поверхні планети починаються загадки. Там простягається астеносфера. Вона розділяє верхню і нижню, більш щільну частину мантії і закінчується на глибині 250-350 кілометрів від земної поверхні. При поширенні сейсмічних хвиль вона поводиться як величезний амортизатор.

Чому це відбувається? Пояснення криється у властивостях мантії. Незважаючи на те що цей шар розігрітий до дуже високих температур, він нітрохи не є рідким. Гірські породи, що складають його, перебуваючи під жахливим тиском, залишаються твердими, але при цьому стають пластичними, навіть текучими. І саме ці їх властивості – пластичність, текучість – обумовлюють процес конвекції, рушійну силу найважливіших геологічних подій, що відбуваються на планеті. Без нього неможливі були б ні землетруси, ні виверження вулканів. Конвекція викликається перепадами температури в мантії Землі. Цей круговорот речовини, як прийнято вважати, забезпечує рух літосферних плит. Але чому тоді їх швидкість так помітно різниться? В рамках традиційної теорії глобальної тектоніки плит відповісти на це питання не вдається.
У 2010 році на сторінках журналі Science з’явилася гіпотеза американських і австралійських учених (керівник – Ваутер Шелларт), яка перевертала з ніг на голову колишні уявлення, зате пояснювала, чому плити літосфери рухаються по-різному. Її автори звернули увагу на те, що плити переміщаються тим повільніше, ніж вони менше. Точно так же швидкість субдукції залежить від розміру плит, пропорційна йому. Так, може бути, не швидкість конвективних потоків в мантії, а розміри зони субдукції задають темп руху плит? Чим ширше ці разверзшейся на дні океану отвори, тим швидше в них зникає земна кора. Очевидно, багато геологічні процеси регулюються «зверху вниз», а зовсім не з надр Землі, як вважалося раніше.

Ця гіпотеза пояснює, чому Індо-Австралійська і Тихоокеанська літосферні плити, а також плита Наска рухаються помітно швидше, ніж Африканська і Євразійська плити і плита Хуан-де-Фука. Вона пояснює і рух зниклої плити Фараллон, яка майже повністю занурилася в глиб мантії, а її уламки продовжують підсувається під Північну і Південну Америку. За 50 мільйонів років швидкість її руху знизилася з 10 до 2 сантиметрів на рік. Очевидно, причина в тому, що ширина зони субдукції за цей час зменшилася з 14 тисяч кілометрів до 1400.

Чим далі ми проникаємо в глиб Землі, тим більше це нагадує сходження в пекло. Тут панують диявольська жара і жахливий тиск. Уже в верхньому шарі мантії температура підвищується до 1000 ° C, а тиск зростає з одного до 24 гігапаскалів – це приблизно в 240 тисяч разів вище атмосферного тиску.

У цих умовах не витримують навіть мінерали і гірські породи. При такому тиску вони не можуть розплавитися, але зате змінюється їх структура. Вона стає все більш компактною. Це вдалося з’ясувати, аналізуючи рух сейсмічних хвиль.

Наприклад, вже на глибині 410 кілометрів олівін – мінерал, з якого здебільшого і складається мантія, – перетворюється в свою модифікацію, вадслеіт, що має той же хімічний склад. Ще через 100 кілометрів ми зустрічаємо нову модифікацію олівіну – Рінгвуд.

На глибині понад 1000 кілометрів навіть залізо переходить в інший стан. Тепер окремі електрони його атомів утворюють пари. Залежно від того, чи мають електрони, що склали ці пари, однаковим спіном (іншими словами, чи обертаються вони в одному і тому ж напрямку), рішуче змінюються властивості мінералів, що містять залізо, зокрема їх щільність, теплопровідність, а також швидкість поширення в них сейсмічних хвиль.

Залізо знаходиться в стані банкрутства, як з’ясувалося недавно, в обширній області, на глибині від 1000 до 2200 кілометрів – а там вже починається нижня мантія. Тиск поступово зростає з 24 до 120 гігапаскалів, а температура підвищується від 1000 до 3500 ° C.

На відстані приблизно 2900 кілометрів від поверхні Землі починається земне ядро. Згідно з розрахунками, воно складається з заліза і нікелю. Його внутрішня частина є твердою, а обволікає цю серцевину железонікелевий розплав. Він постійно перемішується, тут і генерується потужне магнітне поле – захисний екран нашої планети. Характер течій в рідкої частини ядра ще не до кінця зрозумілий вченим, а без цього неможливо вичерпно пояснити природу магнітного поля Землі.

Що вже там говорити! Ми тільки починаємо розуміти, як поводяться залізо і нікель в тих незвичайних умовах, які панують в ядрі Землі. Наприклад, вченим давно було відомо, що хвилі у внутрішній частині ядра рухаються надзвичайно повільно – так, наче вона є не твердою, як прийнято вважати, а м’якою або, точніше, вузький. Крім того, швидкість поширення хвиль вище, якщо вони перетинають ядро ​​з півночі на південь, і нижче, якщо відхиляються від цієї осі.

Судячи з комп’ютерної моделі, представленої в 2007 році російськими і шведськими дослідниками, при тих жахливих тисках і температурах, що панують в глибині ядра, атоми заліза приймають дивну конфігурацію. Вони утворюють так звану об’ємно-центрованої кубічну решітку. Щоб уявити, як це виглядає, треба згадати знамениту скульптуру «Атоміум», встановлену півстоліття тому в Брюсселі. Окремі куби цієї кристалічної структури досить слабо пов’язані зі своїми сусідами. Вони можуть зміщуватися в бік, цим і пояснюється пластичність внутрішньої частини ядра. У той же час така структура ніяк не позначається на роботі «магнітної динамо-машини».

У тому ж 2007 році в Science були опубліковані результати лабораторного експерименту іншої міжнародної групи дослідників. Їй вдалося вивчити поведінку сплаву нікелю і заліза в умовах, які панують на відстані 4000 кілометрів від поверхні Землі – при температурі понад 3200 ° C і тиску понад 225 гігапаскалів. Рентгенівський аналіз справді показав зміна гексагональної структури сплаву на об’ємно-центрованої, завдяки чому його щільність зменшилася на 2%. Так було доведено, що земне ядро ​​складається з особливої ​​модифікації заліза.

Проте вчені як і раніше поки ще дуже далекі від того, щоб остаточно зрозуміти процеси, що протікають в ядрі нашої планети, а також в її мантії. Навпаки, будь-яке нове відкриття породжує все нові питання. Подорож до центру Землі триває, і кінця йому поки не видно.

Посилання на основну публікацію