Путешествие к центру Земли

В романе Жюля Верна герои спускаются в кратер вулкана, чтобы достичь глубин нашей планеты. На самом деле в ее недрах царит адская жара, а потому ученые могут совершить лишь воображаемое путешествие к центру Земли, используя результаты спутниковых наблюдений, компьютерные модели, данные сейсмических исследований. Что же нового открывается им?

Земля покрыта тонкой оболочкой – корой, которая на суше гораздо мощнее, чем под океанами. Земная кора – лишь «кожа» нашей планеты. Многие геологические феномены «коренятся» не здесь – они обусловлены процессами, протекающими глубоко в недрах Земли, в ее мантии, на долю которой приходится 82 % объема всей планеты.

Исследование мантии принесет еще немало неожиданных открытий. Лишь верхняя ее часть как будто не таит ничего особенного. Вместе с корой она образует литосферу, состоящую из отдельных фрагментов – плит. Эта область Земли хорошо изучена. Но уже в 50—100 километрах от поверхности планеты начинаются загадки. Там простирается астеносфера. Она разделяет верхнюю и нижнюю, более плотную часть мантии и заканчивается на глубине 250—350 километров от земной поверхности. При распространении сейсмических волн она ведет себя как громадный амортизатор.

Почему это происходит? Объяснение кроется в свойствах мантии. Несмотря на то что этот слой разогрет до очень больших температур, он ничуть не является жидким. Горные породы, слагающие его, находясь под чудовищным давлением, остаются твердыми, но при этом становятся пластичными, даже текучими. И именно эти их свойства – пластичность, текучесть – обусловливают процесс конвекции, движущую силу важнейших геологических событий, совершающихся на планете. Без него невозможны были бы ни землетрясения, ни извержения вулканов. Конвекция вызывается перепадами температуры в мантии Земли. Этот круговорот вещества, как принято считать, обеспечивает движение литосферных плит. Но почему тогда их скорость так заметно разнится? В рамках традиционной теории глобальной тектоники плит ответить на этот вопрос не удается.

Строение Земли

В 2010 году на страницах журнале Science появилась гипотеза американских и австралийских ученых (руководитель – Ваутер Шелларт), которая переворачивала с ног на голову прежние представления, зато объясняла, почему литосферные плиты движутся по-разному. Ее авторы обратили внимание на то, что плиты перемещаются тем медленнее, чем они меньше. Точно так же скорость субдукции зависит от размера плит, пропорциональна ему. Так, может быть, не скорость конвективных потоков в мантии, а размеры зоны субдукции задают темп движения плит? Чем шире эти разверзшиеся на дне океана проемы, тем быстрее в них исчезает земная кора. Очевидно, многие геологические процессы регулируются «сверху вниз», а вовсе не из недр Земли, как считалось прежде.

Эта гипотеза объясняет, почему Индо-Австралийская и Тихоокеанская литосферные плиты, а также плита Наска движутся заметно быстрее, чем Африканская и Евразийская плиты и плита Хуан-де-Фука. Она объясняет и движение исчезнувшей плиты Фараллон, которая почти полностью погрузилась в глубь мантии, а ее обломки продолжают пододвигаться под Северную и Южную Америку. За 50 миллионов лет скорость ее движения снизилась с 10 до 2 сантиметров в год. Очевидно, причина в том, что ширина зоны субдукции за это время уменьшилась с 14 тысяч километров до 1400.

Чем дальше мы проникаем в глубь Земли, тем больше это напоминает нисхождение в ад. Здесь царят дьявольская жара и чудовищное давление. Уже в верхнем слое мантии температура повышается до 1000 °C, а давление возрастает с одного до 24 гигапаскалей – это примерно в 240 тысяч раз выше атмосферного давления.

В этих условиях не выдерживают даже минералы и горные породы. При таком давлении они не могут расплавиться, но зато меняется их структура. Она становится все более компактной. Это удалось выяснить, анализируя движение сейсмических волн.

Например, уже на глубине 410 километров оливин – минерал, из которого по большей части и состоит мантия, – превращается в свою модификацию, вадслеит, имеющий тот же химический состав. Еще через 100 километров мы встречаем новую модификацию оливина – рингвудит.

На глубине свыше 1000 километров даже железо переходит в другое состояние. Теперь отдельные электроны его атомов образуют пары. В зависимости от того, обладают ли электроны, составившие эти пары, одинаковым спином (иными словами, вращаются ли они в одном и том же направлении), решительно меняются свойства минералов, содержащих железо, в частности их плотность, теплопроводность, а также скорость распространения в них сейсмических волн.

Железо находится в подобном состоянии, как выяснилось недавно, в обширной области, на глубине от 1000 до 2200 километров – а там уже начинается нижняя мантия. Давление постепенно возрастает с 24 до 120 гигапаскалей, а температура повышается с 1000 до 3500 °C.

На расстоянии примерно 2900 километров от поверхности Земли начинается земное ядро. Согласно расчетам, оно состоит из железа и никеля. Его внутренняя часть является твердой, а обволакивает эту сердцевину железоникелевый расплав. Он постоянно перемешивается, здесь и генерируется мощное магнитное поле – защитный экран нашей планеты. Характер течений в жидкой части ядра еще не до конца понятен ученым, а без этого невозможно исчерпывающе объяснить природу магнитного поля Земли.

Что уж там говорить! Мы только начинаем понимать, как ведут себя железо и никель в тех необычных условиях, которые царят в ядре Земли. Например, ученым давно было известно, что волны во внутренней части ядра движутся необычайно медленно – так, словно она является не твердой, как принято считать, а мягкой или, точнее, вязкой. Кроме того, скорость распространения волн выше, если они пересекают ядро с севера на юг, и ниже, если отклоняются от этой оси.

Судя по компьютерной модели, представленной в 2007 году российскими и шведскими исследователями, при тех чудовищных давлениях и температурах, что царят в глубине ядра, атомы железа принимают странную конфигурацию. Они образуют так называемую объемноцентрированную кубическую решетку. Чтобы представить, как это выглядит, надо вспомнить знаменитую скульптуру «Атомиум», установленную полвека назад в Брюсселе. Отдельные кубы этой кристаллической структуры довольно слабо связаны со своими соседями. Они могут смещаться в сторону, этим и объясняется пластичность внутренней части ядра. В то же время такая структура никак не сказывается на работе «магнитной динамо-машины».

В том же 2007 году в Science были опубликованы результаты лабораторного эксперимента другой международной группы исследователей. Ей удалось изучить поведение сплава никеля и железа в условиях, которые царят на расстоянии 4000 километров от поверхности Земли – при температуре свыше 3200 °C и давлении более 225 гигапаскалей. Рентгеновский анализ в самом деле показал изменение гексагональной структуры сплава на объемноцентрированную, благодаря чему его плотность уменьшилась на 2 %. Так было доказано, что земное ядро состоит из особой модификации железа.

Тем не менее ученые по-прежнему пока еще очень далеки от того, чтобы окончательно понять процессы, протекающие в ядре нашей планеты, а также в ее мантии. Наоборот, любое новое открытие порождает все новые вопросы. Путешествие к центру Земли продолжается, и конца ему пока не видно.

Где прячутся мантийные струи?

Никто не видел воочию, что происходит в недрах планеты. Даже удивительно, что в наши дни, когда роботы движутся по поверхности Марса, а межпланетные аппараты исследуют далекий Титан, человек не сумел углубиться в недра Земли хотя бы на полтора десятка километров. Лишь косвенные наблюдения позволяют судить о любопытнейших процессах, протекающих совсем неподалеку от нас.

Вот один из таких феноменов – мантийные струи (плюмы), потоки горячего вещества, притекающие из нижних слоев мантии. Все начинается с тонкой струйки шириной от 10 до 100 километров. Температура вещества, составляющего ее, на 100—300° выше, чем температура окружающих ее пород. Миновав вязкую мантию и достигнув твердой литосферы, она заметно расширяется, напоминая теперь шляпку гриба. Там, где подобные струи прорываются к поверхности Земли, они порождают особую форму вулканизма – так называемые «горячие точки» (Hot Spots). Такие вулканы располагаются не по краям литосферных плит, а посредине – там, где, как считалось в рамках теории глобальной тектоники, их не должно было быть.

Чаще всего эти вулканы встречаются на островах, затерянных где-нибудь в океане. Образуются целые цепочки подобных островов. Один из самых ярких примеров – Гавайские острова. Геологические исследования показывают, что в таких цепочках чем дальше острова оказываются от действующего вулкана, тем выше их возраст. Как правило, на самых древних островах находятся давно погасшие вулканы.

В 1963 году канадский геофизик Джон Тьюзо Уилсон связал это наблюдение с дрейфом литосферных плит. По его предположению, источник магмы, изливающейся при извержении подобного вулкана, скрывается в глубине мантии – гораздо глубже, чем при извержении обычных вулканов. В таком случае этот вулкан (назовем его сейчас «вулкан гавайского типа») движется вместе с литосферной плитой и извергается до тех пор, пока магма, притекающая из глубины мантии, не перестает его питать. Постепенно этот вулкан смещается в сторону от «горячей точки», и раскаленная магма, в конце концов, прожигает новый участок земной поверхности. Так образуется новый действующий вулкан, а прежний прекращает свою деятельность, гаснет. Через какое-то время все повторяется. Рождается очередной вулкан.

Нижняя мантия суперплюма

В 1971 году эту гипотезу дополнил американский геофизик Джейсон Морган. Он предположил, что восходящие потоки раскаленного вещества зарождаются в нижней части мантии. Эта догадка позволила объяснить, почему при извержении вулканов гавайского типа химический состав базальтовых лав, достигающих поверхности Земли, заметно отличается от состава базальтов, оказывающихся на поверхности при извержении обычных вулканов.

В последующие десятилетия, используя результаты сейсмических наблюдений и компьютерных моделей, ученые сумели во многом описать эти потоки вещества – мантийные струи. Обнаружено уже около полусотни подобных струй. Они располагаются под Гавайскими островами, Исландией, горами Эйфель на западе Германии и горой Этна на Сицилии.

Наблюдения показали, что есть два типа мантийных струй. Одни – в районе Азорских островов, Таити, Самоа – зарождаются на границе с ядром Земли, на глубине 2900 километров, и пересекают всю мантию. Другие – например, в Эйфеле – образуются в зоне, разделяющей верхнюю и нижнюю мантию, на глубине 410—660 километров от земной поверхности.

Возможно, помимо обычных мантийных струй земную мантию рассекают и громадные потоки раскаленного вещества – так называемые суперплюмы, суперпотоки. Только этим можно объяснить возникновение в далеком прошлом громадных базальтовых плато – таких, как плоскогорье Декан в Индии (его площадь достигает миллиона квадратных километров). Сегодня многие ученые связывают появление этого плато, образовавшегося около 66 миллионов лет назад, с «горячей точкой», которая находится теперь под островом Реюньон, хотя эта гипотеза и вызывает немало споров.

Другой пример. Около 250 миллионов лет назад свыше 2 миллионов квадратных километров территории Сибири было покрыто слоем лавы – результатом мощных вулканических извержений. Возможно, именно они стали причиной массового вымирания животных на исходе пермского периода (299—251 миллион лет назад), когда исчезли 95 % всех видов, обитавших в тогдашних морях, и две трети видов, населявших сушу. Обширные базальтовые плато имеются также в Китае (район горы Эмэйшань) и Бразилии (район реки Парана).

На рубеже 1980-х и 1990-х годов была опубликована гипотеза Роберта Шеридана из Ратгерского университета и Роджера Ларсона из университета Род-Айленда. Согласно их предположению, особую активность суперплюмы проявляли в меловом периоде, около 120 миллионов лет назад. В пользу этого свидетельствуют резкие колебания тогдашнего уровня моря, усиленное образование океанической коры, стремительное раздвижение морского дна, прекращение смены магнитных полюсов, повышение средней температуры на планете. Главный очаг активности находился в западной части Тихого океана. По оценке исследователей, эта область достигала в поперечнике нескольких тысяч километров – в десятки раз больше территории, затрагиваемой деятельностью обычных мантийных струй.

Ученые продолжают спорить о том, существуют ли на самом деле суперплюмы. В новейшей научной литературе это понятие применяется лишь к двум регионам планеты. Предполагается, что одна из этих гигантских струй находится в западной части Тихого океана – там, где выявлен аномально большой приток тепла из глубин планеты к ее поверхности и располагаются четыре «горячие точки», – а другая скрывается под Восточной Африкой.

По одной гипотезе, такие струи, словно громадный поток Амазонки, образуются за счет слияния нескольких мелких струек-«речушек», которые, устремляясь наверх, к «воздушному океану», соединяются друг с другом. Однако сейсмические наблюдения не подтвердили этой догадки.

Другую гипотезу предложили Венди Панеро и ее коллеги из университета штата Огайо. По их мнению, важную роль в зарождении гигантских восходящих потоков вещества играют многочисленные обломки древних континентальных плит, скапливающиеся в нижней части мантии, что нарушает привычный ход протекающих здесь процессов. Участки мантии, где образовались подобные потоки вещества, с самого начала незначительно отличались по своему химическому составу от соседних областей. Они содержали предположительно от 10 до 13 % железа вместо 10—12 %, как остальная часть мантии. Громадные мантийные потоки – это, вероятно, потоки вещества более плотного, нежели в остальной мантии. Обычно такое вещество погружается в глубь менее плотного – в глубь мантии – и расширяется. Но здесь они зародились там, куда в результате процесса субдукции опускаются куски литосферных плит. По этой причине суперплюмы, полагает Панеро, не могут стронуться с места на протяжении последних 200 миллионов лет – со времен распада Пангеи, хотя окружающее их вещество мантии непрестанно движется вокруг них.

Исследование мантийных струй только начинается. Пока разрешающая способность современных приборов слишком мала, чтобы увидеть во всех подробностях то, что происходит не на Марсе или Титане, а всего в сотне километров от нас. Но это лишний раз убеждает нас в том, что география – физическая география Земли – и в XXI веке останется одной из важнейших наук. Нас могут ждать новые крупные открытия!

Сдвигаются ли «горячие точки»?

Вся планета неизменно пребывает в движении. Все литосферные плиты, составляющие зримую поверхность Земли, перемещаются в разные стороны. «Горячие точки» считались единственными «твердыми опорами» в этом неустойчивом мире. Однако новые открытия заставляют усомниться в этой догме. Может быть, всю теорию глобальной тектоники плит придется переписывать заново?

«Горячими точками» называют центры вулканической активности, расположенные вдали от краев литосферных плит. Впервые об их существовании заговорил полвека назад Джон Тьюзо Уилсон. Температура участка мантии, расположенного непосредственно под «горячей точкой», заметно выше, чем соседних участков. Раскаленная струя вещества постепенно прорезает литосферную плиту и изливается на поверхность Земли. Образуется вулкан. Ну а поскольку плиты постоянно движутся, эта струя, в конце концов, оказывается в стороне от него. Плита ведь переместилась вперед. Тогда струя прорезает надвинувшуюся на нее часть плиты и снова пробивается наверх. Так появляется новый вулкан, в стороне от первого. Чаще всего подобный вулкан возникает на дне океана, поскольку здесь земная кора заметно тоньше, чем на суше. Однако он выбрасывает такое количество лавы, что вокруг него образуется целый остров. Со временем процессы эрозии разрушают и сам вулкан, и остров из отвердевшей лавы, что возник возле него. Через миллионы лет морская гладь поглощает весь этот истертый ветром и водой клочок суши. Такова, например, и судьба Гавайских островов.

Уже к концу 1970-х годов большинство геологов приняли эту гипотезу. Ведь она могла объяснить многие детали глобальной тектоники плит, остававшиеся еще непонятными. Почему, например, вулканы образуются не только по краям литосферных плит, но и посреди них?

Точное количество «горячих точек» неизвестно, поскольку геофизики пока не научились выявлять небольшие мантийные струи. Поэтому в научной литературе бытуют разные цифры. Однозначно – путем сейсмологических наблюдений – обнаружено примерно полсотни мантийных струй и соответственно «горячих точек». Они располагаются по всему земному шару – от Канарских островов до Йеллоустона, от Азорских островов до островов Галапагос.

Одна из «горячих» точек Земли– Гавайские острова. Вид из космоса

«Горячие точки» очень заинтересовали ученых, занимающихся палеогеографией. По тому, как на протяжении миллионов лет менялось расположение вулканов, вытянувшихся теперь в виде цепочки островов, можно реконструировать скорость движения литосферных плит. Так, в случае с Гавайскими островами она равняется сейчас 8,5 сантиметра в год. Около 400 тысяч лет назад прямо над «горячей точкой» находился остров Гавайи, крупнейший остров архипелага, а 3 миллиона 700 тысяч лет назад над ней располагался остров Оаху.

Сейчас «горячая точка» находится примерно в 35 километрах от острова Гавайи, в районе подводного вулкана Лоихи. Здесь еще нет острова, он только растет, его контуры лишь угадываются под водой. Пока от поверхности моря его отделяет 900 метров. Но, по расчетам геологов, уже через несколько миллионов лет вершина вулканического конуса, образовавшегося здесь, будет возвышаться над океаном на 4000 метров. В общей сложности его высота, если учесть подводную часть, достигнет 10 тысяч метров. Это больше, чем высота Джомолунгмы, величайшей горы нашей планеты, но зато примерно соответствует высоте вулкана Мауна-Кеа, лежащего на острове Гавайи (опять же отсчет надо вести от морского дна). Это полное подобие двух вулканов – реального и пока еще смоделированного, – возможно, когда-нибудь подтвердит гипотезу Уилсона, который предположил, что формирование и рост всех островов, образовавшихся возле одной и той же «горячей точки», протекает всегда по одной и той же схеме, всегда одинаково.

Различный возраст отдельных Гавайских островов проявляется еще и в том, что они пребывают на разных стадиях эрозионного разрушения. Если самый молодой из них – остров Гавайи – в результате регулярных вулканических извержений все еще продолжает расти, то острова, лежащие к северо-западу от него, уже заметно тронуты эрозией и разрушены.

Интерес вызывает и форма вулканической цепочки. По ней можно судить о том, как менялось направление движения литосферной плиты. Например, Гавайские острова изогнуты таким образом, что это позволило некоторым ученым предположить: около 43 миллионов лет назад Тихоокеанская плита столкнулась с другой плитой. Однако никаких иных видимых признаков коллизии не удалось выявить. Но, может быть, не стоит «громоздить Пелион на Оссу»? И это не плиту шатало из стороны в сторону, а перемещалась «горячая точка»?

Всякий раз, выполняя подобные расчеты, ученые делают одно принципиально важное допущение: они полагают, что передвигаются только литосферные плиты, в то время как сама мантийная струя остается на одном и том же месте. Но так ли это?

В последние годы поставлена под сомнение даже история возникновения Гавайских островов – парадный пример теории «горячих точек». Американские геофизики Джон Тардуно и Рори Коттрелл предположили, что на самом деле эта «горячая точка» перемещается с весьма внушительной скоростью 3—4 сантиметра в год. Примерно так же быстро движутся и литосферные плиты.

Прежде чем прийти к такому выводу, Тардуно и Коттрелл исследовали магнитные характеристики вулканических пород, выброшенных гавайскими вулканами. Ведь, как мы уже отмечали, некоторые минералы могут указывать, каким было направление магнитного поля Земли в момент их застывания. На экваторе силовые линии магнитного поля располагаются горизонтально, а чем дальше, к северу или югу, – тем заметнее они отклоняются от горизонтали. Это и позволило установить, что 75 миллионов лет назад «горячая точка» Гавайских островов находилась на 35° северной широты (сегодня – на 19°).

Такие же геомагнитные исследования позволили установить, что большая часть «горячих точек» когда-то находилась вовсе не на той широте, что теперь. Вполне может быть, что все эти точки перемещаются по поверхности Земли. Очевидно, мантийные потоки не устремляются ввысь, как стрела, а отклоняются в стороны, покачиваются, как языки пламени на ветру.

Но эта догадка грозит пошатнуть многие устоявшиеся теории. Ведь ученые реконструируют положение континентов в далеком прошлом, исходя из того, что «горячие точки» неизменно находятся на одном и том же месте. Они – точки отсчета, позволяющие восстановить, когда и куда переместилась та или иная плита. Однако если сами эти точки оказываются то здесь, то там, то и все расчеты летят в тартарары. В таком случае ошибочны все наши представления о далеком прошлом Земли. Это касается и истории климата, и перемещений магнитных полюсов, и много другого. Пошатнулось здание геологии, словно и под ним разверзлась твердь земная, прожженная насквозь «горячей точкой» науки…

Стоит добавить, что в общей сложности как минимум 10 % всей поверхности нашей планеты, а по некоторым предположениям, даже 40 % так или иначе подверглись воздействию излившихся на нее мантийных потоков вещества. Геологическая роль их так велика, а их проявления так разнообразны, что некоторые ученые полагают, будто сама гипотеза мантийных струй и «горячих точек» ошибочна, а значит, многие феномены, обязанные им своим происхождением, имеют совсем другую природу. Но справедливы ли сомнения этих скептиков?

Почему Америка до сих пор не утонула?

Итак, мы изучили недра Земли хуже, чем поверхность Марса или Луны. Под нашими ногами простираются сплошные белые пятна. Конечно, основной закон геофизики нам давно известен: более плотные участки земной коры, плавая в слое верхней мантии – астеносфере, глубже погружаются в нее, чем менее плотные, подобно тому как громадные военные корабли глубже оседают в волнах, чем рыбачьи фелюги. Это не что иное, как закон Архимеда, примененный к земной коре. Определенную роль в этом гидростатически равновесном состоянии играет и температура ее нижних слоев. Чем сильнее они разогреты, тем выше континент вздымается над уровнем моря. Однако до сих пор этот показатель почти не использовался для описания рельефа различных районов планеты.

Обычно специалисты, объясняя топографию континентов, учитывают лишь, как движутся литосферные плиты и из каких пород они сложены. Соответственно, чем массивнее «подземная часть» континента, тем выше на его поверхности вздымаются горы. Измерения, проводившиеся в Альпах, подтвердили это. «Корни» альпийских гор уходят в глубь Земли в два раза дальше, чем остов других частей Европы.

Но есть немало примеров, которые не укладываются в эту схему. Скажем, плато Колорадо в США (его преобладающие высоты – от 1800 до 2500 метров) и Великие равнины, простирающиеся к востоку от Скалистых гор, сложены из одних и тех же пород, но перепад высот между ними составляет около полутора тысяч метров.

Тем любопытнее работа, которую опубликовали недавно Деррик Хэстерок и Дэвид Чепмен из университета штата Юта на страницах Journal of Geophysical Research.Ее название – «Континентальная термальная изостазия. – Часть первая: методы и чувствительность». Как правило, научная статья под таким заголовком не избалована вниманием широкой публики. И даже среди геологов немногие зачитываются такого рода теоретическими рассуждениями. Поэтому, чтобы пробудить интерес к своей работе Чепмен и Хэстерок нашли любопытный ход. Они сопроводили сугубо научный материал увлекательным приложением под заголовком «Часть вторая: применительно к Северной Америке», где живописали картину далекого будущего.