История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет
Шрифт:
В самом общем виде в строении Земли можно выделить три слоя: тонкая, с низкой плотностью кора на поверхности, более толстая и плотная мантия посредине и плотное металлическое ядро в центре. Каждая из этих структур, в свою очередь, состоит из нескольких слоев. Мантия, например, делится на три слоя: верхняя мантия, переходная зона и нижняя мантия. Верхний слой, состоящий преимущественно из перидотита, простирается на глубину примерно 660 км. В этих глубинах давление заставляет атомы оливина сблизиться, что приводит к образованию более плотной разновидности кристаллов силиката – вадслеита, минерала, преобладающего в переходной зоне мантии. Для нижней мантии, занимающей следующие 2900 км, характерны еще более плотные разновидности силикатов магния. Давление
Сейсмические наблюдения регистрируют природу и протяженность каждого из этих различающихся минералогическим составом слоев мантии, и в целом оказывается, что переходы между ними носят достаточно выраженный характер. Точная глубина залегания переходных границ между слоями мантии в разных местах слегка варьирует, где-то в пределах 16–32 км. Например, под континентами глубина границ одна, под океанами – другая, но всюду эти границы пологие и «правильные». В отличие от «идиллии» с внутримантийными границами, сейсмические данные о границе между мантией и ядром свидетельствуют о чрезвычайно сложной структуре. На первый взгляд, эта граница порождает, как и должно быть, сильное эхо. В самом деле, разница плотностей силикатной мантии и металлического ядра настолько велика, что создает физическую границу такую же резкую, как граница между водой и воздухом, что вызывает мощнейший сейсмический сигнал из глубин Земли. Эту границу – как одну из первых скрытых в глубине Земли тайн – сейсмологи зафиксировали более 100 лет назад.
Идеально гладкая и ровная граница должна была бы дать явный, сфокусированный сейсмический сигнал – эхо, которое сейсмограф зафиксировал бы в виде отчетливого пика. Однако сейсмические сигналы, отражающие границу между мантией и ядром, чаще всего носят смазанный, беспорядочный и прерывистый характер. Выглядит так, будто там, в глубине, встречаются неровные глыбы или кучи обломков. Геофизики, известные своим пристрастием к невыразительной терминологии, назвали эту бугристую и хаотичную зону слоем D^2, т. е. D-два-штриха. (Астрофизики придумывают куда более образные термины, например, коричневый карлик, красный гигант, темная энергия или черная дыра; они более изобретательны в игре названий.)
Сложность этого слоя D^2 отчасти объясняется значительной разницей в плотности между однородным железом металлического ядра и многообразием состава насыщенных кислородом минералов мантии. Минералы мантии плавают на поверхности плотного ядра, как пробка на поверхности воды, но сами эти минералы сильно различаются между собой по удельному весу. В первичном океане магмы некоторые силикаты тонули, другие всплывали. В результате большие куски кристаллизованного твердого вещества погружались к основанию мантии и подобно плотам плавали на поверхности металлического ядра. Некоторые сейсмологи говорят о возможных «горах» в несколько сотен километров высотой и нагромождениях плотных минералов, скопившихся на границе между мантией и ядром: именно они хаотически преломляют сейсмические сигналы.
По-видимому, на границе ядра и мантии возможны также бассейны и лужи необычайно плотной силикатной жидкости, богатой алюминием и кальцием, а также массой «несовместимых элементов», которые вообще отсутствуют во внешних слоях Земли. Проверить это чрезвычайно трудно, но сейсмологи указывают на существование в слое D^2 локальных «зон низких скоростей», непосредственно над границей между мантией и ядром, где сейсмические волны распространяются со скоростью примерно на 10 % ниже, чем в области соседних плотнотельных сред. Замедление сейсмических волн – это вернейший признак жидкой среды. Эти жидкие образования и пруды жидкости подсказывают также решение частной проблемы недостающих элементов: просто нужно искать все несовместимые элементы в недосягаемом слое D^2, где они навечно спрятаны в этой загадочной, разнородной по составу зоне минералогического старья.
Что же представляет собой само ядро? В пору ранней юности у Земли было плотное, богатое железом ядро диаметром более 3000 км, правда, еще расплавленное (в отличие от того ядра, которое мы знаем сегодня – в виде постоянно растущего шара из твердых кристаллов железа диаметром примерно 1200 км). Температура на границе между ядром и мантией могла тогда превышать 5000 °С, при давлении миллион атмосфер.
Раскаленное ядро с самого начала (и по сей день) является довольно подвижным образованием – в нем движутся завихряющиеся потоки жидкого металла. Одним из важных последствий движения этих потоков является формирование первичного магнитного поля Земли – магнитосферы, похожей на гигантский электромагнит. Магнитные поля отклоняют электрически заряженные частицы, так что магнитосфера Земли служит невидимым щитом-отражателем, защищающим Землю от интенсивного бомбардирования солнечным ветром и космическими лучами. Возможно, этот барьер был необходимым условием для зарождения и сохранения жизни.
Ядро является также важным источником тепловой энергии, помогая поддерживать конвекцию в мантии. По сей день мантийные потоки из пластичных горных пород поднимаются из глубины более 3000 км, с границы между мантией и ядром, в вулканических горячих зонах, таких как Гавайи или в Йеллоустоун. Примечательно, что выявленные места выбросов магмы на поверхность могут предопределяться глубинной топографией. Упомянутые многокилометровые горы слоя D^2 могут выполнять роль своеобразных теплоизоляторов, лежащих на горячем ядре. Вполне вероятно, что в самых глубоких долинах, разделяющих эти величественные скрытые горы, теплопоток выше, что приводит к образованию известных нам вулканических горячих зон.
Базальт
По существу, эволюция минералов основывается на предопределенной последовательности формирования горных пород, где каждая последующая стадия логически вытекает из предыдущей. Образование первой перидотитовой земной коры, порожденной первичной магмой, было критически важной, но промежуточной фазой развития Земли. Окончательно охлажденная и затвердевшая, она оказалась слишком плотной и не могла сохраниться на поверхности магмы, а потому снова погрузилась в недра Земли. Для того чтобы опоясать планету, требовалась менее плотная порода. Такой породой оказался базальт.
Во всех планетах земного типа черный базальт преобладает среди близких к поверхности пород. Изрезанный шрамами от атак астероидов, верхний слой Меркурия состоит преимущественно из базальта. То же самое можно сказать о выжженной, гористой коре Венеры и выветрелой [6] красной поверхности Марса. Темные пятна на Луне («моря») контрастируют с бледно-серыми анортозитовыми нагорьями и являются не чем иным, как остатками огромных озер черного базальта; 70 % поверхности Земли, включая дно всех океанов, подстилается базальтовой корой.
6
Изменившейся в процессе выветривания. – Прим. ред.
Базальты состоят из разных минералов, среди которых явно выделяются два силикатных минерала. Один из таких важнейших минералов – полевой шпат плагиоклаз, между прочим, самый главный алюмосодержащий минерал на планетах земного типа и их спутниках и самый распространенный минерал в земной коре. Преподаватель MIT, профессор Дейв Воунз однажды посоветовал, если мне покажут какой-нибудь загадочный камень с целью определить, из каких минералов он состоит, смело отвечать «из плагиоклаза» – и я окажусь прав в 90 % случаев. Второй важнейший минерал в составе базальта – это пироксен, обычный силикат, входящий также и в перидотит. Пироксен входит в число самых простых минералов, которые способны вмещать всю «большую шестерку» (а также множество более редких элементов).