Лето обычно открывает перед вами, наши юные читатели, большие возможности для самых интересных наблюдений в природе.
В овраге или на речном обрыве можно наблюдать, как тонкий слой почвы с корнями растений переходит в более плотную землистую или щебенистую массу — грунт. В него еще проникают корни растений, а глубже обычно залегают напластования глин, песков или твердых каменных пород.
Эти разнообразные горные породы слагают самую верхнюю твердую оболочку
земного шара, или земную кору. В толще ее залегают сокровища недр: уголь, нефть, руды железа и других металлов, драгоценные и поделочные камни. В поисках полезных ископаемых люди уже тысячелетия назад научились проникать глубоко в земную кору. При этом рудокопы заметили, что, чем глубже горные выработки, тем выше в них температура. Кроме того, наблюдения за действующими вулканами привели человека к мысли, что на значительной глубине горные породы находятся в расплавленном состоянии. Пытаясь объяснитьгрозную деятельность вулканов, люди сложили о них много легенд. Древние греки считали вулканы владением бога огня Гефеста. Особенный интерес возбуждал вулкан Этна на о-ве Сицилия. Извержение Этны, по представлению греческого поэта Пиндара (V в. до н. э.), вызывает стоглавый Тифон (в древнегреческой ми-фологии — грозное огнедышащее чудовище, порожденное богиней земли Геей), заключенный в недра горы в наказание за то, что поднял восстание против Зевса.
Философ Эмпедокл (V в. до н. э.), ссылаясь на действующие вулканы и горячие источники, высказал мысль о расплавленном состоянии внутренних частей Земли. Эмпедокл изучал вулкан Этну, по склонам которого временами текли мощные потоки лавы, заливавшие окрестности на десятки километров. Он предпринял отчаянно смелое путешествие в глубь кратера Этны и погиб в жерле вулкана.
С той далекой поры человечество прошло большой путь развития. Накопилось много фактов, которые ученые начали обобщать в стройные гипотезы.
В науке XVIII в. господствовало представление, что внутри земного шара находится огненно-жидкое ядро. Основываясь на этом предположении, ученые логично объясняли повышение температуры при опускании в недра Земли, а также вулканические явления. Одна-
ко стройное учение о происхождении и устройстве Земли было создано только в конце этого века Кантом и Лапласом.
Немецкий философ Иммануил Кант, а несколько позднее французский астроном и математик Пьер Симон Лаплас предложили гипотезу, в которой они пытались дать картину возникновения планет солнечной системы.
Кант полагал, что до образования солнечной системы существовала туманность, состоявшая из отдельных движущихся частиц. Столкновения этих частиц между собой привели с течением времени к упорядочению движения. Вследствие сближения частиц и их сжатия туманность постепенно раскалялась. Вращающаяся раскаленная газовая туманность приобрела сплюснутую форму и по своим размерам превосходила планетную систему. Затем при увеличении скорости вращения от туманности постепенно отделились слои вещества и образовали ряд колец. Каждое из них под действием сил взаимного притяжения слагавших его частиц постепенно превратилось в шаровидное тело — планету. Сначала планета была раскаленной, но потом в результате излучения тепла в мировое пространство стала остывать. Центральная часть туманности после сжатия и отделения от нее ряда колец стала Солнцем.
Согласно гипотезам Канта и Лапласа, земное ядро должно быть огненно-жидким, а земная кора — продукт остывания некогда огненно-жидкого шара.
Однако несколько позднее стали раздаваться, правда очень робко, голоса ученых, несогласных с гипотезой Канта—Лапласа. К этому меньшинству у нас в России принадлежал выдающийся ученый академик В. И. Вернадский. Он считал, что Земля никогда не была огненно-жидкой. В настоящее время эта точка зрения принята наукой. Большинство современных геофизиков и геологов отрицают стадию огненно-жидкого состояния Земли при ее образовании и объясняют разогрев земных оболочек в основном процессами радиоактивного распада.
Интересная космогоническая1 гипотеза возникновения планет была разработана коллективом Российских ученых под руководством академика О. Ю. Шмидта. По этой гипотезе планеты образовались из облаков космической пыли, которая обращалась некогда вокруг Солнца. О. Ю. Шмидт считал, что такое пылевое облако вследствие столкновения его частиц должно было быстро преобразоваться в сплющенный слой, окружавший Солнце. Под влиянием сил взаимного притяжения этот слой превратился :в систему отдельных сгустков, а в дальнейшем из них сформировались планеты. По предположению О. Ю. Шмидта, Земля всегда была холодной, поэтому земная кора вовсе не «шлак», который появился на поверхности раскаленной жидкой массы земного шара. Составная часть нашей планеты — земная кора — сначала была холодной и лишь впоследствии «тала нагреваться в результате различных, прежде всего радиоактивных, процессов.
Но не одни гипотезы помогают теперь ученым познавать внутреннее строение земного шара. Для этого разработаны очень точные геофизические1 методы исследования. Они основаны на изучении колебаний земной коры, возникающих при землетрясениях или искусственных взрывах. Их изучением занимается особая ветвь геофизики, получившая название сейсмологии. При землетрясениях или искусственных взрывах в Земле возникают сейсмические волны. Линии, вдоль которых распространяются сейсмические колебания, называются сейсмическими лучами. Существуют два вида колебаний: продольные и поперечные.
Продольные волны распространяются в твердом теле от места взрыва или центра землетрясения, вызывая последовательные сжатия и разрежения частиц вещества Земли, при этом частицы колеблются в направлении распространения волны. Поперечные волны— это колебания частиц в теле Земли, происходящие перпендикулярно направлению сейсмического луча.
Очаги землетрясений находятся в глубинах земного шара, иногда в нескольких сотнях километров от поверхности. Сейсмические волны приходят на сейсмическую станцию и записываются при помощи приборов, которые называются сейсмографами. При этом регистрируются не только прямые волны, идущие непосредственно от очага землетрясения или места взрыва, но и волны, испытавшие преломления или отражения на внутренних границах Земли, которые разделяют горные породы с разными свойствами.
Каждое землетрясение вызывает колебательное движение, распространяющееся от очага во все стороны,
Если бы Земля была однородным телом, то сейсмические волны распространялись бы прямолинейно и с одинаковой скоростью. Изучение скоростей распространения различных волн в Земле показало, что земной шар состоит из ряда приблизительно концентрических зон, имеющих различную плотность и, вероятно, раз-личный состав.
Вспомните увлекательный роман Жюля Верна «Путешествие к центру Земли». Писатель рассказывает о строении земной коры, состоящей главным образом из пластов осадочных горных пород, и об истории развития жизни на ней, как представляли это себе ученые во второй половине XIX в.
Попробуем и мы совершить путешествие к центру Земли.
Самые верхние слои земной коры состоят преимущественно из пластов осадочных горных пород, образовавшихся путем осаждения различных мелких частиц, главным образом в морях и океанах. В этих пластах захоронены остатки животных и растений, населявших в прошлом земной шар. Они с течением времени превратились в окаменелости, позволяющие от пласта к пласту восстанавливать историю развития жизни на Земле. Общая мощность (толщина) осадочных пород не превышает 15—20 км.
В осадочных породах земной коры встречаются остатки животных организмов, населявших прежде нашу планету.
Средняя скорость распространения в них продольных колебаний от 2 до 5 тыс. м/сек.
А что же находится под осадочными горными породами? На этот вопрос дают ответ, с одной стороны, обнажения горных пород или буровые скважины, а с другой стороны — сейсмические волны. Оказалось, что они распространяются в глубине Земли с различными скоростями на континентах и на дне океана. Отсюда ученые сделали вывод, что на Земле существуют два главных типа твердой земной коры: континентальный и океанический.
Мощность коры континентального типа в среднем 30—40 км, а под многими горами достигает местами 80 км. Континентальная часть земной коры распадается на ряд слоев, число и мощность которых изменяются от райо-на к району. Обычно ниже осадочных пород выделяют два главных слоя: верхний — «гранитный», близкий по физическим свойствам и составу к граниту (он богат кремнекислотой), и нижний, состоящий из более тяжелых пород, — «базальтовый» (предполагается, что, он состоит главным образом из базальта). Толщина каждого из этих слоев в среднем 15—20 км. Однако во многих местах не удается установить резкую разницу между гранитным и базальтовым слоями, поэтому некоторые исследователи высказали предположение, что со-став коры меняется с глубиной постепенно.
Океаническая кора гораздо тоньше (5—8 км). По составу и свойствам она близка к веществу нижней части базальтового слоя континентов, т. е., видимо, состоит из базальтов или пород, богатых магнием и железом. Но этот тип коры свойствен только глубоким участкам дна океанов, не менее 4 тыс. м. На дне океанов есть области, где земная кора имеет строение континентального или промежуточного типа.
Многие сведения о физических свойствах горных пород и скорости прохождения в них сейсмических волн получены в лабораториях. Ученые используют эти данные для объяснения записей сейсмографов и для установления границ между слоями с различными свойствами. Базальтовый слой отделяется от ниже залега-ющих пород поверхностью, получившей название поверхности А. Мохоровичича1. Скорость сейсмических волн глубже этой поверхности сразу резко увеличивается до 8,2 км/сек, что обусловлено, вероятно, уве-личением плотности вещества Земли.
Поверхность Мохоровичича, наблюдаемая во всех областях земного шара, условно считается нижней границей земной коры. Под ней находится оболочка Земли, или мантия. Она идет до глубины 2900 км. Оболочка Земли разделяется на 3 слоя: верхний, промежуточный и нижний. Промежуточный слой характеризуется сильным возрастанием скоростей сейсмических волн и увеличением электропроводности вещества Земли. Большинство ученых считают, что в промежуточном слое изменяется состав вещества или слагающие его минералы переходят в иное состояние, с более плотной «упаковкой» атомов.
Нижний слой оболочки отличается однородностью по сравнению с верхним слоем.
Небольшое понижение скорости сейсмических волн наблюдается на глубине 100—150 км. Предполагают, что в этом слое температура близка к температуре плавления; это подтверждается очень малым числом очагов землетрясений. Ученые допускают, что верхняя часть мантии по химическому и минералогическому составам близка к горным породам, богатым магнием и железом, имеющим значительную плотность. Вблизи земной поверхности известны такие породы. Они получили специальное название перидотитов.
Мы имеем некоторые доказательства реального существования этой подкоровой оболочки. Так, в алмазных копях Южной Африки и Якутии встречаются в изобилии вынесенные с больших глубин куски перидотитовых пород.
На большинство геологических процессов, происходящих в верхних частях земной коры, активно влияют процессы глубинных недр. Ученые все более и более убеждаются, что движения земной коры, вызывающие образование гор, трещин, разрывов, землетрясения и вулканизм, обусловлены источниками энергии и выделениями вещества в верхних частях мантии. Поэтому изучение верхних частей мантии имеет огромное научное и практическое значение. В США был разработан проект бурения земной коры под океанами до мантии. Со специально построенных барж в 1961 г. в районе небольшого о-ва, около северо-западного побережья Мексики, было начато бурение. Под слоем морской воды в 3600 м пройдена буровая скважина на глубину около 200 м. Затем по техническим причинам работы были прекращены. В настоящее время выбирается новое место для бурения скважины.
Современная геофизика разработала способы, которые дают возможность исследовать распределение материала Земли по плотности и упругости в глубоких частях недр Земли.
Изменение плотности оболочки (мантии) Земли связано, вероятно, не столько с изменением состава, сколько с давлением, которое на глубине достигает огромной величины.
Так, например, давление на единицу поверхности равно:
Под мантией находится земное ядро. Внешняя часть земного ядра обладает свойствами жидкости: через него не проходят поперечные волны. Радиус земного ядра около 3471 км. При переходе от оболочки (мантии) к ядру резко изменяются физические свойства вещества. Причина этого, вероятно, изменение атомной структуры вещества Земли под влиянием высоких давлений.
Температура внутри Земли с глубиной повышается до 2000—3000°, при этом наиболее быстро она возрастает в земной коре, далее идет замедление, и на больших глубинах температура остается, вероятно, постоянной.
Плотность Земли возрастает с 2,6 на поверхности до 6,8 на границе ядра Земли. В самом ядре плотность возрастает до 10, а в его центральных частях превышает 12.
До недавнего времени считали, что ядро имеет железный состав, подобный железным метеоритам, а оболочка — силикатный, соответствующий каменным метеоритам. Некоторые ученые предполагали, что причина резкого скачка плотностей и резкого уменьшения твердости у границы ядра Земли объясняется не изменением химического состава вещества, а физико-химическим процессом — частичным разрушением электронной оболочки атомов при давлении в 1,4 млн. атмосфер. Отрыв электронов от ядер под действием огромного давления и высокой температуры вызывает резкое уплотнение вещества и придает ему новые свойства.
Такой процесс ученые назвали переходом вещества в металлическую фазу. Однако опыты с давлениями до 3 млн. атмосфер, проведенные недавно в РОССИИ, пока не подтвердили возможность такого изменения вещества в ядре Земли.
Схема строения нашей планеты: 1— атмосфера; 2 — стратосфера; 3 — тропосфера; 4 — гидросфера; 5 — гранитный слой; 6 — базальтовый слой; 7 — подкоровая часть внутренней оболочки Земли (поверхность Мохоровичича); 8 — внутренняя оболочка Земли; 9 — ядро Земли (ядрышко).
В ядре на расстоянии 5100 км от поверхности заключено еще внутреннее ядро Земли, или ядрышко. Оно, вероятно, находится в твердом состоянии. Надо иметь в виду, что условия существования материи в больших глубинах земного шара резко отличны от условий на земной поверхности и тех, которые пока мы смогли создать в лабораториях.
Геофизики высказали предположение, что континенты возникли в связи с выделениями огромных количеств энергии, периодически происходящими в земной оболочке (мантии) на глубинах 600—700 км. Следствием этого является процесс разделения (дифференциация) вещества Земли, который приводит к обеднению отдельных участков оболочки Земли кремнекислотой, окисью алюминия, щелочными металлами и выносу их наверх — в земную кору, где они образуют континенты. Таким образом, в земном шаре, основываясь на сейсмических данных, можно выделить следующие зоны, отличающиеся по физическим свойствам: земная кора, верхняя мантия, переходный
слой, нижняя мантия, внешнее ядро и внутреннее ядро.
До сих пор нет единых общепризнанных взглядов на состав мантии и ядра.
Изучая земной шар в целом, ученые уже давно выделили ряд присущих ему оболочек: воздушную оболочку, или атмосферу, жидкую оболочку, или гидросферу (гидро — вода), и литосферу (литос— камень) — твердую оболочку, или, как ее теперь называют, земную кору. В начале XX в. учение о внешних оболочках Земли раз-вил выдающийся русский ученый В. И. Вернадский. Он выделил еще прерывистую ледяную оболочку и биосферу — область, занятую живыми организмами. Геофизики разработали, как вы уже знаете, учение о внутреннем строении Земли тоже в виде ряда глубинных оболочек и центрального ядра.
С каждым годом данные геофизики позволяют все лучше и лучше разбираться в строении земного шара, а это в свою очередь дает возможность установить связь ряда важнейших геологических процессов, протекающих в земной коре, с процессами, происходящими в глубинах земного шара. Вот почему так важно и так интересно изучать строение нашей планеты.
