Канке В.А., Лукашина Л.В. Концепция современного естествознания Теория и практика

171

История эволюции Земли представлена, разумеется, в весьма приблизительном виде. Для ее уточнения необходимо обратиться к специальной литературе. Тем не менее на основе изложенного выше можно сделать определенные выводы (мы вновь рекомендуем читателю статью В. Е. Хаина).

Выводы

•Земля за время своего существования прошла сложный путь развития. Неоднократно он приобретал форму катастрофических явлений. Надо полагать, что и будущее Земли не обойдется без новых потрясений, апогеем которых станет сначала нагревание Солнца, а затем его превращение в красный гигант.

•В процессе своей эволюции Земля все более отчетливо выступала в качестве развитого системного образования, состоящего из многих оболочек, которые несмотря на их известную обособленность существуют в рамках целого.

•На протяжении многих веков происходило охлаждение Земли. Оно неоднократно приводило к обледенениям.

•Блоки континентальной коры то объединяются, то расходятся.

•Биосфера становится все более разнообразной. Ее значение для человека постоянно возрастает.

•Homo sapiens вполне закономерно появился не ранее определенного этапа эволюции Земли.

4.5. Строение Земли

По мере развития Земли ее структура неуклонно усложнялась. Среди земных сфер некоторые имеют чисто естественное происхождение, таковы, например, литосфера, атмосфера и гидросфера. Другая часть сфер определяется деятельностью людей, развитием их культуры — это антропосфера, социосфера, техносфера, ноосфера. Есть и такие земные сферы, природа которых определяется как естественными, так и культурными основаниями. В этой связи можно упомянуть географическую сферу, почвосферу, биосферу.

В названии многих структурных земных единиц фигурирует термин «сфера». Его происхождение очевидно: учитывается шарообразность Земли. При использовании термина «сфера» явно превалирует пространственный аспект. Строго говоря, к нему не сводится структура Земли. Так, техносфера не является чем-то шарообразным.

Переход к наукам о Земле связан с сужением числа земных сфер. В зону тщательного анализа попадают лишь сферы естественного происхождения. Переход от наук о Земле к геологии также связан с сужением числа рассматриваемых земных сфер. В этой связи используется понятие геооболочки. Наиболее крупномасштабная классификация состоит в том, что выделяют всего три геооболочки, а именно кору, мантию и ядро Земли. Такая «грубая» классификация не позволяет выразить многие особенности строения

ифункционирования Земли. В этой связи и кора, и мантия, и ядро делится на некоторые части, между которыми, как правило, есть еще и некоторые области переходов. В этой связи различают в частности верхнюю, среднюю

инижнюю мантию, а также переходы между ними. К тому же из примыкающей к коре мантии выделяют две ее наиболее плотные структурные

172

единицы. Наиболее плотный субстрат вместе с корой образуют литосферу (от греч. lithos — камень). Более вязкий субстрат образует астеносферу (от греч. a — не и sthenos — твердый), на которой плавает литосфера. В число геооболочек часто включают наряду с корой и мантией литосферу

иастеносферу. К указанным геооболочкам, входящим непосредственно в компетенцию геологии, часто относят также гидросферу и атмосферу.

Все геооболочки, относящиеся к внутреннему устройству Земли, выделяют по сейсмологическим данным. Учитывается, что режимы распространения продольных и поперечных волн существенно отличаются друг от друга. Продольные волны, связанные со сжатием среды, распространяются в газообразных, жидких и твердых телах. Поперечные же волны могут распространяться только в твердых телах. По характеру распространения волн, в том числе изменению их скорости распространения в геологических объектах можно судить о состояниях этих объектов. Так, например, скорости распространения продольных сейсмических волн в нижних слоях мантии и в самых верхних слоях ядра существенно отличаются (13,6

и8,1 км/с). Это обстоятельство как раз и позволяет различать мантию

икору Земли.

Ниже вниманию читателя предлагается схема строения Земли, в которую включены геооболочки как объекты геологии (табл. 4.5). Интересные данные на этот счет содержатся в статье Д. Ю. и Ю. М. Пущаровских1.

Содержание табл. 4.5 должно восприниматься с учетом тех замечаний, которые были сделаны в тексте параграфа. Особенно это касается вариации мощностей коры, литосферы и астеносферы. Они колеблются в широких

1 Пущаровский, Д. Ю., Пущаровский, Ю. М. Состав и строение мантии Земли // Соровский образовательный журнал. 1988. № 1. С. 111—119.

173

пределах. Так, мощность коры меняется от 5 до 70 км. Океаническая кора редко составляет более 12 км. Литосфера может достигать 140 км. Астеносфера в некоторых регионах Земли вообще отсутствует. Что касается мантийных и ядерных геооболочек, то и они не представляют собой идеальные сферы, их мощность варьируется от одного региона Земли к другому.

Выводы

•По мере развития Земли ее строение усложняется.

•Строение Земли интерпретируют посредством понятий земных сфер и геосфер (геооболочек).

•Классификация может быть более или менее детальной.

•Земля представляет собой сложный системный объект. Изучение его строения не закончено, оно содержит многие проблемные аспекты, связанные, в частности,

свариацией мощности геооболочек, которая неодинакова в различных регионах Земли.

4.6. Ядро Земли и магнитосфера

Центральная часть Земли называется его ядром. Его радиус составляет от радиуса Земли 46%. Объем ядра составляет от объема Земли 17%. Масса ядра в три раза меньше массы всей Земли. По расчетам, в центре ядра давление превышает 3 млн атмосфер, а температура составляет около 6000 °C.

По своему химическому составу ядро на 80—90% состоит из железа и его окислов. Это предположение, во-первых, согласуется с сейсмическими свойствами ядра, во-вторых, с распространенностью железа во Вселенной, которое, надо полагать, было характерным для того газопылевого облака, конденсация которого привела к образованию Земли.

По-видимому, формирование ядра не могло начаться одновременно с образованием Земли, которая первоначально существовала в форме магматического океана. В нем должны были произойти многочисленные метаморфозы, в том числе понижение температуры, прежде чем наиболее тяжелый элемент, а это как раз железо и значительно в меньшей степени никель, стали концентрировать в центре планеты, стекая туда со всех ее регионов. Около 1 млрд лет занял процесс, подготовивший образование ядра Земли.

Первоначально ядро было довольно однородным. Но по мере роста его массы и давления, оказываемого на него, неизбежностью стало усложнение структуры ядра. Это привело к разделению ядра на две части — внешнюю, прилегающей к мантии, и внутреннюю. Сейсмологические данные вынуждают считать, что внешнее ядро состоит из вещества, находящегося в расплавленном жидкостном состоянии. Это обстоятельство прекрасно согласуется с картиной приливных колебаний, наблюдаемых на поверхности Земли. Они свидетельствуют о том, что на большой глубине Земли должна быть массивная жидкостная составляющая. Ею как раз и является внешнее ядро.

В отличие от внешнего внутренне ядро демонстрирует яркие анизотропные свойства, характерные для твердых тел. Сейсмические данные также свидетельствуют в пользу твердого состояния внутреннего ядра. Именно

174

на него оказывает давление не только мантия Земли, но и ее внешнее ядро. Колоссальное давление не позволяет веществу внутреннего ядра существовать в жидком состоянии.

Различные состояния, в том числе температурные режимы внутреннего

ивнешнего ядра, приводят к значительному влиянию их друг на друга. Они являются активными участниками своеобразных динамических процессов. При этом в различного рода движениях участвуют не только они сами как единое целое, но и их составляющие. Есть основания считать, что внешнее

ивнутреннее ядро не вращаются в унисон с Землей в целом.

Различие в температурах внешнего и внутреннего ядра, а также мантии порождает мощные тепломасспотоки, в частности плюмы, направленные к поверхности Земли. Тепломасспотоки между внешним и внутренним ядром ответственны за возникновение магнитного поля Земли. Речь идет об эффекте так называемого магнитного динамо.

Механизм динамомашины

В динамомашине катушка проводов крутится в магнитном поле. В результате электромагнитной индукции в катушке возникает электрический ток, который формирует собственное магнитное поле, которое увеличивает внешнее поле. Нечто аналогичное происходит во внешнем ядре Земли. Из-за вращения Земли скорость течения жидкости в верхних слоях внешнего ядра должна быть выше, чем скорость вращения нижних слоев. Тепломасспотоки вносят в эту картину свою лепту. Поднимающаяся от внутреннего ядра разогретая жидкость тормозит верхние слои внешнего ядра. С другой стороны, спускающие потоки ускоряют разогретую жидкость. В результате может возникнуть состояние, при котором центральная часть внешнего ядра вращается быстрее его периферии. Центральные части выполняют роль ротора, а периферийные слои внешнего ядра подобны статору динамомашины. Описанный процесс будет продолжаться до тех пор, пока динамические процессы не уравновесят друг друга. В итоге внешнее ядро станет постоянным генератором магнитного поля, причем дипольного характера, т.е. выделятся магнитные полюса.

Механизм магнитного динамо позволяет понять происхождение неоднократно случавшихся прежде инверсий магнитного поля Земли, в результате которого Северный и Южный полюса Земли меняются местами. За последние 5 млн лет инверсия магнитного поля Земля имела место десять раз. Память об этих событиях сохранилась во многих горных породах. К счастью, за все время существования человечества инверсия магнитного поля не случалась. Указанная инверсия объясняется наличием в потоках вещества внешнего ядра Земли турбулентных потоков. Для них могут быть характерными катастрофические явления, особенно, если они вызываются какими-то внешними факторами, например взрывом сверхновой звезды. Смещение магнитных полюсов Земли и наблюдающееся его ускорение также объясняются эффектом динамомашины. За последние 100 лет магнитный полюс в Южном полушарии сместился на 900 км и находится в Индийском океане.

После сказанного самое время обратиться к понятию магнитосферы Земли. Речь идет об объекте, в границах которого магнитное поле Земли доминирует над магнитным полем, вызываемым солнечным ветром. Под действием солнечного ветра магнитное поле Земли деформируется, вытя-

175

гивается вдоль линии, на которой находятся планета и светило (рис. 4.1). Граница магнитосферы по направлению к Солнцу находится на расстоянии около 60 тыс. км, а по направлению от Солнца не менее 120 тыс. км. Замечательно, что магнитосфера Земли в значительной степени защищает все живое на Земле от пагубного влияния частиц, входящих в состав солнечного света. Электроны, протоны, альфа-частицы, попав в магнитосферу Земли, вращаются вокруг силовых линий магнитного поля и отражаются в область магнитных полюсов.

Рис. 4.1. Солнечный ветер в ловушке магнитосферы Земли

Итак, рассмотрение ядра Земли вынудило нас выйти далеко за пределы нашей планеты. Это свидетельство динамического характера Земли. Ее геооболочки не изолированы друг от друга, они образуют динамическое целое. Что касается непосредственно ядра Земли, то его история во многом все еще не разгадана. Его будущее неясно. Возможно, ему суждено будет остыть, но лишь в случае, если оно не будет сожжено вместе со всей Землей в топке красного гиганта, в который превратится Солнце.

Выводы

•Ядро Земли представляет собой систему, состоящую из двух частей — внешнего и внутреннего ядра Земли.

•Внешнее ядро Земли находится в жидком состоянии, а внутреннее в твердом.

•Как для внутреннего, так и для внешнего ядра Земли характерна сложная динамика.

•Внешнее ядро Земли представляет собой магнитное динамо, продуцирующее магнитное поле Земли.

4.7. Мантия Земли

Мантия Земли расположена между земной корой и ядром. Различают верхнюю, среднюю и нижнюю мантию. Мантия составляет 83% объема Земли и 68% ее массы. Максимальная температура мантии составляет около

176

2500. Возможно она выше в областях примыкающих к ядру Земли, от которого она отделена тонкой зоной перехода, мощность которого не превышает 20 км. Средняя плотность вещества мантии возрастает от 3,5 г/см 3 в верхних слоях, до 6,0 г/см 3 в нижних пластах. Состоит мантия из тяжелых минералов, богатых кремнием и магнием, в меньшей степени железом. Так, в верхней мантии минералы с содержанием кремния и магния (SiO2, MgO) составляют более 85% вещества. Такой химический состав мантийного вещества не является неожиданностью для ученых. Он коррелирует с представлением о составе исходного газопылевого облака, из которого образовались Солнце и планеты, в том числе Земля. Несмотря на высокую температуру основной массив мантийного вещества находится в твердом состоянии. Его плавлению препятствует высокое давление. В астеносфере, входящей в состав верхней мантии, давление ниспадает. Поэтому неудивительно, что астеносфера находится в аморфном состоянии. Фазовое состояние вещества мантии в целом не является однородным. Высокотемпературные процессы, происходящие

внем, при определенных условиях приводят к плавлению вещества, сопровождающему его переход в жидкое, а порой и газообразное состояние. Ярким свидетельством этих процессов являются извержения вулканов, содержащие как жидкостные (магматические), так и газообразные составляющие.

Ученые не сомневаются в том, что мантия охвачена многими специфическими процессами. Но судить о них им приходится главным образом по косвенным данным, ведь они не обладают непосредственным доступом к мантийному веществу, расположенному на глубинах, больших 13 км. Скважины даже наибольшей глубины не достигают этой отметки. Понимание мантийных процессов связано со значительными трудностями. Тем не менее на этот счет существуют многочисленные весьма плодотворные гипотезы. Мы имеем в виду концепцию химико-плотностной дифференциации вещества и конвективного движения в толще мантии. Обратимся

вэтой связи к химико-плотностной дифференциации вещества.

Ее содержание состоит в том, что химическая определенность вещества зависит от ряда факторов, в частности температуры, давления и плотности. А это означает, что на различных глубинах существуют неодинаковые вещества. Проиллюстрируем это обстоятельство данными, включенными в табл. 4.6, взятую из статьи А. А. Ярошевского1.

Таблица 4.6

Химико-плотностная дифференциация вещества

1Ярошевский, А. А. Химический и минеральный состав вещества Солнечной системы

иоболочек Земли // Современное естествознание: Энциклопедия : в 10 т. М. : МагистрПресс, 2000. Т. 9. Науки о земле. С. 36—37.

177

Окончание табл. 4.6

Несомненно, что химические реакции, представленные в табл. 4.6, выражают лишь малую часть всего спектра фазовых переходов, характерных для мантии Земли. Но столь же несомненно, что этот спектр действительно имеет место. К тому же следует учитывать, что химико-плотностная дифференциация вещества может сопровождаться выделением значительных порций энергии.

Обратимся теперь к концепции конвективного движения в массиве мантии. И в его реальности не приходится сомневаться. Дрейф континентов, подъем на поверхность Земли мантийного вещества, погружение океанической коры в мантию — все это непосредственно указывает на определенные конвективные движения. Различие температурных режимов, господствующих на различных глубинах мантийного вещества Земли, также указывает на реальность конвективного движения. Актуально также следующее рассуждение. Если тепловая энергия из внутренних регионов Земли поступала бы к ее поверхности за счет обыкновенной теплопроводности, то она сама расплавилась бы. Этого не происходит из-за передачи энергии посредством конвективного движения. Оно, следовательно, предохраняет Землю от перегрева. К сожалению, динамические истоки конвективного движения пока не определены с желаемой степенью точности. Они в основном остаются предметом гипотез, не имеющих экспериментального подтверждения. Таких гипотез несколько.

Динамические истоки конвективного движения в мантии Земли

Согласно весьма популярной гипотезе, энергия, необходимая для плавления кристаллических веществ, поставляется радиоактивными распадами веществ. Сторонники этой точки зрения полагают, что около 80% энергии Земли имеет радиоактивное происхождение. Их оппоненты снижают эту цифру до 10%. Среди них доминирует точка зрения, согласно которой около 80% энергии Земли является результатом химико-плотностной дифференциации вещества.

В соответствии с еще одной из гипотез, мантийное вещество подогревается ядром Земли. В результате оно плавится и поднимается вверх. Вероятность таких масштабных переносов мала. К тому же не ясна природа энергопроизводства в ядре Земли. Предположение, что оно является ядерным реактором, мало кем принимается.

Существует и такая точка зрения: верхняя мантия находится в твердом состоянии, но в ней могут возникать трещины и разломы. При этом выделяется энергия, которая приводит к плавлению мантийного вещества. На эту гипотезу похоже также предположение, что за расплавление магматического вещества ответственны потоки энергии, выделяющиеся при тектонических нарушениях в форме сдвигов и разломов тектонических плит.

Некоторые авторы склонны видеть причину возникновения магматических масс в приливном взаимодействии Луны и Земли. Но эта гипотеза также имеет мало сторонников.

178

Таким образом, относительно истоков внутреннего теплового состояния Земли остаются существенные неясности. Многие авторы даже не пытаются выяснить их. Они рассуждают так: в основных чертах известно современное состояние Земли, в частности перепады температур, плотностей и давлений на различных глубинах мантии. Исходя из этого необходимо объяснить динамические процессы, реализующиеся в форме конвективных движений. В этой связи используются физические концепции, относящиеся к устройству твердых и жидких тел, фазовых переходов между ними и возникновению критических состояний. И вот тогда выявляется прелюбопытное обстоятельство. Оказывается, что с определенной вероятностью непременно должны появиться конвективные движения. Состояние мантии Земли не представляет собой нечто однородное и неизменное. Оно содержит многочисленные критические точки, в частности связанные с плавлением твердого вещества магмы. Тщательное изучение этих точек является актуальнейшей задачей геологов.

С момента своего зарождения и до наших дней мантия охвачена процессами химико-плотностной дифференциации вещества. Она существенно обеднела тяжелыми элементами, в частности, железом и никелем, вытесняемыми в область ядра Земли, а также легкими веществами (водородом, азотом, кислородом), перемещаемыми к поверхности Земли. Силикатная природа мантии становится все более ярко выраженной. Решающее значение для будущего мантии Земли будет иметь превращение Солнца сначала в красный гигант, а затем в белый карлик и планетарную туманность. Видимо, это приведет к гибели мантии Земли. Напомним читателю, что речь идет об очень далеком будущем.

Выводы

•Мантия Земли представляет собой сложный динамический объект, в котором центральное место занимает химико-плотностная дифференциация вещества.

•В вопросе об истоках тепловой энергии мантии конкурируют две основные гипотезы. Согласно одной из них, ими является радиоактивный распад элементов. Другая точка зрения состоит в том, что указанными истоками является химикоплотностная дифференциация вещества.

•Состояние мантии Земли изобилует критическими параметрами, достижение которых объясняет возможность генерирования конвективных потоков, которые запускают механизм вулканических и тектонических преобразований.

4.8. Астеносфера, литосфера и кора

Астеносфера (от греч. a и sthenos — не твердая) представляет собой второй верхний слой верхней мантии. Первым слоем является субстрат. Кровля астеносферы лежит на глубинах 50—70 км. Ее мощность, как правило, не превышает 200 км, но может достигать и 250 км. Одной из характерной особенностей астеносферы является пониженная скорость распространения поперечных сейсмологических волн приблизительно до 8 км/с. В слоях, расположенных выше и ниже астеносферы, указанная скорость выше по крайней мере на 0,4 км/с.

179

Вторая особенность астеносферы состоит в ее специфической вязкости. Вязкость слоев, обрамляющих астеносферу, выше ее вязкости самое малое в десять раз. Исходя из этого обстоятельства, часто делается вывод, что вещество астеносферы находится в жидком состоянии. Это не так. Вязкость вещества астеносферы превышает вязкость жидкостей, по крайней мере, в миллионы раз. Правильно считать, что вещество астеносферы находится в твердом состоянии, но с достаточно отчетливо выраженными пластическими свойствами. В силу их наличия оказывается возможным как медленное течение вещества астеносферы, так и столь же медленное перемещение на ее поверхности литосферных плит. В силу высоких температур вещества астеносферы, достигающих 1300оС и более, некоторая его часть находится в жидко-расплавленном состоянии. Но она составляет не более 5% от всего массива астеносферы. Считается, что результатом, с одной стороны, подогрева астеносферы расположенными ниже ее слоями мантии, с другой стороны, давления, оказываемого на нее литосферами, приводит к наличию в ней конвективных потоков. Механизм функционирования этих потоков не вполне ясен.

Выше астеносферы находится литосфера, которая может рассматриваться как единый твердый моноблок, «плавающий» на пластической астеносфере. Разумеется, этот блок не однороден. Он включает земную кору, границу Мохоровичича и субстратный слой верхней мантии. Скорости распространения в этих трех средах различны, но все они являются твердыми веществами. При дальнейшей детализации устройства литосферы различают материковую и океаническую кору, каждая из которых, в свою очередь, имеет определенное строение. Материковая кора составляет 40%, а океаническая кора 60% поверхности Земли. Вся кора составляет всего 1% объема Земли и 0,5% ее массы. Часто различают также материковую и океаническую литосферу.

Рис. 4.2. Строение коры Земли

Мощность (толщина) материковой коры значительно превосходит мощность океанической коры (35—70 км против 3—12 км). Вещество океанической коры более плотно, чем вещество материковой коры (3,3 и 2,7 г/см 3). Континентальная кора состоит из осадочного, гранитового и базальтового слоев. Океаническая кора включает только осадочный и базальтовый слои. Указанное расхождение, видимо, объясняется тем, что в океанической коре, в частности в силу ее недостаточной толщины, не создаются те условия, которые стимулировали бы образование гранитов. К тому же необходимо

180