Развитие представлений о внутреннем строении земли и методы ее изучения

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Какая она, планета Земля, твердая или жидкая? Вопрос отнюдь не праздный, и не может быть решен однозначно. С глубокой древности величайшие умы человечества стремились узнать, что находится у нас глубоко под ногами, что служит основанием окружающего нас мира. Тем не менее, до сих пор о глубинных слоях Земли мы знаем меньше, чем о космосе, и шансов когда-либо проникнуть в подземный мир не так уж и много.

Знания о внутреннем строении Земли пока очень поверхностны, так как получены на основании косвенных доказательств. Прямые свидетельства относятся только к поверхностной пленке планеты, чаще всего не превышающей полутора десятков километров. В целом же о внутреннем строении нашей планеты мы знаем меньше, чем о ближнем космосе, исследуемом с помощью спутников и космических кораблей.

Вместе с тем изучение внутреннего строения Земли жизненно важно. С ним связаны образование и размещение многих видов полезных ископаемых, рельефа земной поверхности, возникновение вулканов и землетрясений. Знания о внутреннем строении Земли необходимы и для составления геологических и географических прогнозов.

При исследовании внутреннего строения нашей планеты чаще всего проводят визуальные наблюдения естественных и искусственных обнажений горных пород, бурение скважин и сейсмическую разведку.

С течением времени у людей постоянно менялись представления обо всем, что их окружало. Без сомнения, место, где они жили -- Земля -- вызывало у них повышенный интерес. Люди пытались осмыслить и представить себе форму Земли, исходя из того, что они могли наблюдать вокруг себя. Подчас эти представления были абсолютно необоснованны или же обуславливались конкретным местом обитания того или иного народа. В древности они все были в основном эмпирическими. Позднее, с накоплением знаний, с развитием какой-то, пусть самой примитивной, техники, с развитием горного дела эти представления становились научно более обоснованными. Сейчас геология немыслима без таких наук как физика, химия, математика. Все современные исследования проводятся при помощи высокоточной техники на базе самых высоких технологий.

1. Внутреннее строение Земли

Рисунок 1. Разрез Земли

Толщина Земной коры (внешней оболочки) изменяется от нескольких километров (в океанических областях) до нескольких десятков километров (в горных районах материков). Сфера земной коры очень небольшая, на ее долю приходится всего около 0,5% общей массы планеты. Основной состав коры - это окислы кремния, алюминия, железа и щелочных металлов. В составе континентальной коры, содержащей под осадочным слоем верхний (гранитный) и нижний (базальтовый), встречаются наиболее древние породы Земли, возраст которых оценивается более чем в 3 млрд. лет. Океаническая же кора под осадочным слоем содержит в основном один слой, близкий по составу к базальтовым. Возраст осадочного чехла не превышает 100-150 миллионов лет.(Рисунок 1(1)).

От низлежащей мантии земную кору отделяет во многом еще загадочный Слой Мохо (назван так в честь сербского сейсмолога Мохоровичича, открывшего его в 1909 году), в котором скорость распространения сейсмических волн скачкообразно увеличивается. (Рисунок 1(1-2)).

На долю Мантии приходится около 67% общей массы планеты. Твердый слой верхней мантии, распространяющийся до различных глубин под океанами и континентами, совместно с земной корой называют литосферой - самой жесткой оболочкой Земли. Под ней отмечен слой, где наблюдается некоторое уменьшение скорости распространения сейсмических волн, что говорит о своеобразном состоянии вещества. Этот слой, менее вязкий и более пластичный по отношению к выше и ниже лежащим слоям, называют астеносферой. Считается, что вещество мантии находится в непрерывном движении, и высказывается предположение, что в относительно глубоких слоях мантии с ростом температуры и давления происходит переход вещества в более плотные модификации. Такой переход подтверждается и экспериментальными исследованиями. (Рисунок 1(2)).

В нижней мантии на глубине 2900 км отмечается резкий скачок не только в скорости продольных волн, но и в плотности, а поперечные волны сдесь исчезают совсем, что указывает на смену вещественного состава пород. Это внешняя граница ядра Земли. (Рисунок 1(3)).

Земное ядро открыто в 1936 году. Получить его изображение было чрезвычайно трудно из-за малого числа сейсмических волн, достигавших его и возвращавшихся к поверхности. Кроме того, экстремальные температуры и давления ядра долгое время трудно было воспроизвести в лаборатории. Земное ядро разделяется на 2 отдельные области: жидкую (ВНЕШНЕЕ ЯДРО) и твердую (BHУTPEHHE), переход между ними лежит на глубине 5156 км. Железо - элемент, который соответствует сейсмическим свойствам ядра и обильно распространен во Вселенной, чтобы представить в ядре планеты приблизительно 35% ее массы. По современным данным, внешнее ядро представляет собой вращающиеся потоки расплавленного железа и никеля, хорошо проводящие электричество. Именно с ним связывают происхождение земного магнитного поля, считая, что, электрические токи, текущие в жидком ядре, создают глобальное магнитное поле. Слой мантии, находящийся в соприкосновении с внешним ядром, испытывает его влияние, поскольку температуры в ядре выше, чем в мантии. Местами этот слой порождает огромные, направленные к поверхности Земли тепломассопотоки - плюмы. (Рисунок 1(4-5)).

ВНУТРЕННЕЕ ТВЕРДОЕ ЯДРО не связано с мантией. Полагают, что его твердое состояние, несмотря на высокую температуру, обеспечивается гигантским давлением в центре Земли. Высказываются предположения о том, что в ядре помимо железоникелевых сплавов должны присутствовать и более легкие элементы, такие как кремний и сера, а возможно, кремний и кислород. Вопрос о состоянии ядра 3емли до сих пор остается дискуссионным. По мере удаления от поверхности увеличивается сжатие, которому подвергается вещество. Расчеты показывают, что в земном ядре давление может достигать 3 млн. атм. При этом многие вещества как бы металлизируются - переходят в металлическое состояние. Существовала даже гипотеза, что ядро Земли состоит из металлического водорода. (Рисунок 1(6))

2. Развитие представлений о внутреннем строении Земли

Развитию представлений о Земле способствовали великие географические открытия. Если астрономические знания давали сведения о форме и размерах Земли, то великие географические открытия позволяли проверить эти сведения, так сказать, на ощупь. Не случайно поэтому Колумб задался вопросом о форме Земли и даже поставил под сомненне учение Птолемея о ее шарообразности. На основании наблюдений климата и изменений положения магнитной стрелки на своем пути Колумб сделал оригинальное предположение о том, что Земля не круглая, а имеет форму груши, на которой в том месте, откуда отходит черенок, имеется возвышение. Поэтому при переходе кораблей через это возвышение наблюдалось уменьшение температуры и отклонение стрелки компаса. Возвышенность находится на том неизвестном Птолемею полушарии, где, как думал Колумб, расположены открытые им Индии. Несмотря на неправильность предположений Колумба, их ценность заключается в том, что они были сделаны на основании непосредственных наблюдений. Если Колумб и предполагал некоторые отклонения от совершенно круглой формы Земли, то, в общем, представления о шарообразности Земли к концу XVв. были настолько общепринятыми, что их не оспаривала даже церковь. Однако только в XVIв. появилось полное и ощутимое доказательство этой шарообразности. Человеком, географически доказавшим, что Земля -- шар, был Магеллан, совершивший первое кругосветное путешествие. Магеллан установил также правильное соотношение моря и суши. Колумб предполагал, что суша занимает семь восьмых земной поверхности, Магеллан доказал, что поверхность моря значительно больше, чем суши.

Идея центрального огня середины XVI-XVII вв.

Накопление астрономических, географических и геологических знаний определило дальнейшее развитие представлений о внутреннем строении Земли. Мистические взгляды становятся несовместимыми с данными науки. Представления о каналах и пустотах внутри Земли, определяющих ее строение, отходят на задний план: в дополнение к ним появляется идея о существовании внутри Земли центрального огня. Известно огромное значение трудов немецкого ученого Георга Агриколы в области металлургии и горного дела. Эти труды являются обобщением многовекового опыта горняков Западной Европы. Из наблюдений горняков известно было о повышении температуры при опускании в глубокие шахты. Естественно, что Агрикола заинтересовался происхождением тепла, вызывающего этот нагрев, а также огня, наблюдавшегося при извержении вулканов. По его мнению, внутри Земли находятся каналы и пустоты, в этом Агрикола следовал Аристотелю. Но огонь в этих пустотах возникал, по его мнению, от столкновения сжатых веществ и вызывался огненным духом, который выделяется холодом, как молния тучей: при этом загораются сера, асфальт, уголь и т.п. Подземный огонь не принимает участия в горообразовании, даже наоборот, может только способствовать разрушению гор. Горы же образуются под действием воды, которая прорывает в ровной поверхности земли глубокие долины и ущелья. Образованию гор, по мнению Агриколы, способствует ветер в тех случаях, когда он переносит и откладывает песок и другой материал, а также землетрясение, когда ветер циркулирует в подземных пустотах, сотрясая их стенки.

Мысль о центральном огне появляется и в трудах некоторых алхимиков той эпохи. Наряду с практическими сведениями развивались также теоретические представления об общем строении Земли и образовании ее рельефа. В середине XVIIв. развитие астрономии позволило приблизиться к представлениям о том, что Земля по своей природе не отличается от Солнца и была раньше также огненным шаром. Отсюда, по-видимому, возникло и представление о существовании в центре Земли остаточного подземного огня, который, однако, не оказывает никакого воздействия на ее поверхность. Образование рельефа Земли приписывалось обрушению отдельных участков Земли в подземные пустоты, находящиеся неглубоко под поверхностью. Причиной вулканизма и землетрясений считалось возгорание горючих веществ, залегающих также на небольшой глубине.

Большое влияние на естествознание оказали законы Ньютона, открытые им в 1680г. Это эмпирическое обобщение, подготовленное, впрочем, всем развитием науки, провозгласило единство и всеобщность законов природы. Я не строю гипотез -- это выражение Ньютона стало лозунгом новой эмпирической науки. В геологии Ньютону принадлежит идея о некогда расплавленном состоянии Земли: он обосновывал это современной формой Земли.

Большая роль подземному огню отводилась в работах Г. Лейбница, относящихся к 1693г. (Протогея) и 1710г. (Теодицея). Он также считал, что Земля была раньше огненным, расплавленным шаром. Затем на ее поверхности выделились шлаки, они образовали твердую кору, под которой находился огненный расплав. Пары воды, окружавшие Землю, сгустились, вода разлилась по поверхности и впитала в себя соль, которая оставалась в пепле. Так образовался соленый океан. Под тонкой земной корой находились огромные пустоты, в которые местами обрушилась кора, образовав нагромождение обломков. Потоки и наводнения заливали эти обломки, и в углублениях отложились осадки, которые потом отвердели. Такие перевороты происходили несколько раз, и когда они прекратились, поверхность Земли приобрела современный вид. Таким образом, горные породы, по Лейбницу, образовались двояким путем: в виде шлаков, выделившихся из расплава, и как осадки из морской воды. В работах Г. Лейбница были заложены основы идей, развитых значительно позднее: об общем строении Земли, как огненного шара, прикрытого тонкой корой, и о происхождении осадочных и изверженных горных пород.

Можно также упомянуть о воззрениях современника Г. Лейбница, английского ученого Р. Гука, который придавал исключительное значение землетрясениям в образовании рельефа Земли. По его мнению, землетрясения производят поднятия и опускания крупных участков суши, поэтому большая часть земной поверхности после ее создания изменилась: дно морское стало сушей, а суша -- морем, горы стали долинами, а долины -- горами. Холмы и горы могут возникать под действием подземных огненных взрывов, которые приходят с очень большой глубины. Таким образом, в отличие от своих предшественников, Р. Гук связывал образование рельефа Земли с ее внутренней энергией. Идеи Р. Гука -- это, по существу, развитие мыслей Декарта, как и близкого к нему английского ученого Д. Рея. В XVIIв. в науке о Земле вновь проявились два течения, так отчетливо обозначившиеся еще в античное время о преимущественной роли огня или воды в образовании рельефа Земли. Следует отметить, что эти воззрения относились только к изменению поверхности Земли, и в некоторых случаях ученые, предполагавшие центральный огонь внутри Земли, считали в то же время, что в изменении ее поверхности главную роль играет вода. В большинстве случаев считалось, что скопления воды на Земле являются остатком всемирного потопа. Это направление получило название дилювианизма.

Вернемся, однако, к идеям о строении Земли. Представления о существовании огненного ядра, наряду с преимущественной ролью воды в образовании рельефа Земли, содержались также в работах Т. Корнета, В. Уайстона, В. Мелле и др. По мнению Т. Бернета, Земля состоит из огненного ядра и трех оболочек: внутренней массы, оболочки глубинных вод и наружной коры. После образования земного шара поверхность Земли, нагретая Солнцем, высохла и растрескалась, часть коры обрушилась в находящуюся под ней водную оболочку. Глубинные воды хлынули на поверхность и затопили ее. Затем вода стекла обратно, оставив моря и океаны. Обломки коры нагромоздились в беспорядке, образовав современный рельеф Земли. В пустотах, образовавшихся под обломками, скопились пары, которые временами вызывали землетрясения н вулканические извержения. Таким образом, материки и острова являются лишь остатками бывшего ранее земляного черепа. В. Уайстон, работы которого относятся к первой половине XVIII в., считал, что в ядре Земли сохраняется пламя кометы, из которой она образовалась. При столкновении с другой кометой получился всемирный потоп, воды которого создали современный рельеф Земли.

В. Мелле в начале XVIII в. считал, что каждая планета, в том числе Земля, подобна потухшему Солнцу. Суша обнажилась при понижении уровня океана, покрывавшего ранее Землю; горы представляют собой бывшие неровности морского дна.

Лишь англичанина Д. Вудворда можно назвать вполне последовательным дилювианистом, так как он считал, что внутренняя поверхность Земли также наполнена водой. Однажды вода прорвала кору и затопила всю поверхность Земли. Земля и камни растворились в воде, а затем стали осаждаться, образуя горизонтальные слои, которые, местами обрушившись, образовали долины и горы. Свою теорию Вудворд доказывал наблюдениями над горизонтально залегающими осадочными породами Англии.

Во многих случаях, однако, дилювианисты вообще не интересовались строением Земли, считая лишь, что воды всемирного потопа создали современный рельеф Земли, а окаменелые раковины являются следами потопа. Так, например, швейцарский естествоиспытатель Я. Шейхцер, обнаружив в известковых сланцах отпечаток скелета гигантской саламандры, утверждал, что это останки ребенка, погибшего во время потопа.

Огненное ядро у Земли предполагал яркий представитель дилювианизма Вильям Уайстон, работы которого относятся к началу XVIIIв. Он считал, что Земля образовалась из кометы, пламя которой сохранилось в виде огненного ядра Земли. Позднее Земля столкнулась с другой кометой, в результате чего наступил всемирный потоп от сгущения паров воды, находившихся в хвосте кометы. Впоследствии будут происходить страшные землетрясения, померкнут Солнце, Луна и звезды, и Земля сгорит от внутреннего огня.

Космогонические взгляды французского ученого В.Мелле несколько сходны с фантазией Уайстона. Систему мира он изложил в труде, написанном в 1715 или 1716г ., но опубликованном по его завещанию лишь после его смерти. Как указывает Нойберт, Мелле рассматривал каждую планету как потухшее Солнце. Планета при наибольшем отдалении от пылающего тела, вокруг которого она двигается, получает много воды от испарений, которые поднимаются с других планет. При приближении планеты к Солнцу количество воды уменьшается, и когда она совсем высохнет, планета вновь загорится. Таже судьба постигнет и Землю. Уже и теперь уровень океана, прокрывающего Землю, постоянно понижается, горы -- бывшие неровности морского дна. Однако и подземный огонь играет роль в развитии Земли. Так, например, по мнению Мелле, минералы и металлы образовались под действием остатков расплава внутри Земли.

Пассивное огненное ядро Земли упоминается в работе датского ученого Николая Стенона, известного важными выводами о характере залегания слоев и горообразовании.

Современник Лейбница, немецкий ученый Кирхер считал, что внутри Земли имеется центральный огонь. Кроме того, внутри Земли, но ближе к ее поверхности, расположены каналы и пустоты, заполненные огнем, воздухом и водой. Центральный огонь вечный, а периферическое пламя в пустотах появляется лишь временами вследствие возгорания горючих веществ -- серы, асфальта и других при действии на них воды. В пустотах, заполненных водой, она испаряется от огня и вновь конденсируется, выходя на поверхность Земли в виде источников. Как центральное огненное ядро, так и отдельные очаги пламени созданы богом и, во-первых, предназначены для производства металлов, а, во-вторых, служат жилищами умерших грешников. В отличие от Кирхера последовательным нептунистом был швейцарец И.И. Шейхцер. В 1731г. им был издан большой труд, в котором затрагивалось строение Земли к третьему и в третий день сотворения (Шейхцер строго придерживался догматов церкви). При образовании рельефа Земли вода всемирного потопа, по Шейхцеру, ушла в подземные пустоты, оставив горы. Центрального огня у Земли нет, внутри она, по-видимому, твердая (заметим, что эти представления Шейхцера в той или иной мере сохранились впоследствии в более прогрессивных учениях, например, у Бюффона и др.).

Большое значение вулканическим извержениям придавал итальянский аббат Антонно Лаццаро Мора, наблюдавший вулканы на своей родине. Его труд был издан в1740г. По представлениям А.Мора центральная часть Земли огненно-жидкая. Огненно-жидкое ядро покрыто каменной оболочкой, за которой следует водная и воздушная сферы. Расплав внутри Земли активен, обусловливая поднятия и опускания земной коры и вулканизм в том случае, если огненные массы прорываются на поверхность. Все материки, горы и острова -- результат поднятия участков коры из вод моря. Все осадочные породы -- или вулканогенные, или результат размыва поднятий суши, причем и в этом случае к ним примешан вулканогенный материал. Свои взгляды А. Моро обосновывал актуалистически: его теория вулканического поднятия была, в частности, основана на нахождении морских раковин на высоких горах, что большинством исследователей в его время объяснялось всемирным потопом, роль которого в формировании рельефа Земли Моро решительно отвергал. Таким образом, Моро плутонист и прямой предшественник Л. Буха и А. Гумбольдта, на что впоследствии указал К. Гофф. Моро своим саном был вынужден уложить все развитие Земли в библейские сроки и говорить о воле бога, по которой зажегся огонь внутри Земли и происходили другие крупные события. Это является существенным недостатком его прогрессивного и интересного.

В вопросе о причинах изменения рельефа Земли продолжалась борьба огня и воды -- борьба сторонников ведущей роли каждого из этих факторов. Однако большинство плутонистов в проблеме внутреннего строения Земли (центральный огонь в центре Земли) оказывалось дилювианистами при рассмотрении вопроса о формировании ее рельефа, т.е. сторонниками действия текучих вод, как решающего фактора. Сам по себе этот факт подчеркивает в общем пассивную роль, которая отводилась центральному огню. В некоторых случаях этот огонь считался окруженным оболочками, но представления об их образовании и составе, естественно, были в большой мере умозрительными. Интересно также, что представление о пустотах и каналах в Земле не было отброшено, а, как правило, органически вошло в новые гипотезы в виде теории обрушения. Вместе с тем крайние плутонистические воззрения Мора знаменовали собой переход к новым идеям.

Возникновение идеи о твердом ядре.

В 1749 году Ж.Л.Л. Бюффон опубликовал работу под названием “Теория и история Земли”, где он изложил свои космологические взгляды. Представления Бюффона о внутреннем строении Земли были тесно связаны с его космогоническими воззрениями. По его мнению, к современному состоянию Земля пришла в процессе образования из раскаленного вещества, что Земля остыла полностью от расплавленно-жидкого до твердого состояния. После того как Земля остыла, пары, окружавшие ее, сгустились, и вода покрыла всю поверхность Земли. Внутри Земли образовалось стекловатое вещество, подобное шлаку, которое составило ее ядро. Выше располагалась оболочка из песка, представляющего собой стеклянные крошки. оПенап расплавленного ранее стекла образовала оболочку из глины. Таким образом, хотя Бюффон и не признавал существования в настоящее время огненного ядра внутри Земли, а, наоборот, видел внутренность ее уже застывшей, стекловатой, он считал, что Земля образовалась из огненного расплава и затем остывала с поверхности до центра. Под влиянием силы тяготения вещество Земли все больше уплотнялось, поэтому в начале своего образования Земля была менее плотной, чем сейчас.

Близкой к представлениям Бюффона о твердой внутренности охладившейся Земли была гипотеза члена Петербургской Академии наук П.С. Лапласа. 23 июня 1777 г. на собрании Академии наук в Петербурге Лаплас произнес речь, озаглавленную “Наблюдения над образованием гор”. Речь была опубликована в Петербурге на французском и немецком языке. В 1798г. в Париже были опубликованы еще два издания этой статьи, она вошла также в оба издания французского перевода Путешествий Лапласа. Появление этой работы вызвало огромный интерес. По мнению Кювье, работа Лапласа произвела настоящий переворот в геологии. В работе Лапласа был намечен правильный путь рассмотрения всех имеющихся научных сведений. Со времени становления науки, писал Паллас, одна за другой предлагались различные гипотезы о строении Земли, о причинах образования гор и долин. Однако, ошибка предыдущих авторов состояла в том, что они, будучи ограничены национальными рамками и понятиями, полученными в пределах одной страны, объясняли строение всего земного шара, исходя из строения гор в своем отечестве. Таковы неправильные взгляды итальянских ученых, придававших, на основании наблюдений вулканов, слишком большую роль подземному огню, неправильные выводы Вудворда и даже Бюффона, ошибкой которого является, например, представление об осадочном граните. Сам же Паллас, обобщив большой материал по строению шведских, швейцарских и тирольских Альп, Анд, и, главное, на основе своих наблюдений над горными хребтами Сибири и Кавказа, пришел к заключению, что все высочайшие горы Земли состоят из гранита. Гранит встречается также в глубоких шахтах и колодцах, в ущельях, прорытых потоками. Гранит никогда не содержит остатков организмов, следовательно, он старше живой природы. Из этих фактов Лаплас сделал общий вывод о том, что из гранита состоит также и вся внутренняя часть Земли. Гранит -- продукт застывания первоначально расплавленного вещества. Представление это совершенно исключало идею о современном центральном огне, тем более, что по наблюдениям Лапласа очаги подземного огня, связанного с горением серы и других веществ, никогда не располагаются ниже верхней поверхности гранита. Даже потухшие вулканы находятся выше этой поверхности. Гранитная срединная часть гор обычно бывает окаймлена “первозданными” сланцами, которые тоже возникли до появления жизни на Земле, так как не содержат органических остатков, но вместе с тем несколько моложе гранита. В них часто заключены минеральные жилы. Совершенно другого происхождения, по мнению Лапласа, вторичные и третичные породы. Вторичные горные породы сложены глинами и известняками с большим количеством остатков организмов и располагаются обычно по бокам первозданных гор. На известняки налегают третичные горные породы - продукт более поздний. Эти слои содержат остатки растений, стволы деревьев, кости слонов и т.п. Представления о твердом ядре Земли сближали Лапласа с Бюффоном. Гипотезе Лапласа о развитии рельефа Земли, не смотря на ее фантастичность, суждено было сыграть значительную роль в истории геологии. Общие правильные выводы о строении гор, подкрепленные его собственными наблюдениями, естественно, вызвали доверие и к другим гипотетическим предположениям Лапласа о преувеличенной роли вулканических извержений и катастрофических наводнений. Наряду с представлениями о твердых недрах Земли, во второй половине XVIII в. существовали также представления о том, что на большой глубине внутри Земли находится огненно-жидкая материя, которая в отличие от пассивного центрального огня предыдущих исследователей активно воздействует на поверхность Земли. Большим событием в истории науки было появление в середине XVIII в. Работ М.В.Ломоносова. Прямое отношение к геологии имеют работы Ломоносова: “О слоях земных” и “Слово о рождении металлов от трясения Земли”. Основным в геологических воззрениях Ломоносова является идея о постоянной изменчивости и развитии Земли. И, во-первых, твердо помнить должно - писал Ломоносов в своей работе “О слоях земных, - что видимые телесные на земле вещи и весь мир не в таком состоянии были с начала от создания, как ныне находим, но великие происходили в нем перемены, что показывает история и древняя география, с нынешней снесенная, и случающиеся в наши века перемены земной поверхности. Та же мысль повторяется не раз. По сим основаниям не обинуясь заключать и рассуждать моем о состоянии земной поверхности, о ее фигуре и слоях, от зрения сокровенных, кои каковы ныне, не были так от сложения мира, но приняли со временем иной образ.

Строение нависающих над подземной хлябью сводов Ломоносов предложил определять по характеру землетрясений. По его мнению, во время землетрясений поверхность Земли может двигаться двояким образом: или весь участок поверхности сотрясается одинаково, или сотрясение наблюдается только по краям, середина же участка остается спокойной. В первом случае свод на данном участке одинаковой толщины. Во втором случае толщина свода в середине значительно больше, поэтому подземный жар не может его приподнять, и колебания ощущаются лишь там, где слой тоньше. Толщину свода Ломоносов считал пропорциональной пролету свода, висящего над подземным очагом горения. В качестве примера Ломоносов указал на то, что при пролете свода -- поднятия в 3000 верст и толщине его лишь в 0,01пролета толщина составит 30 верст; для поднятая азиатского материка, при его поперечнике 7000 верст, при том же допущении -- 70 верст. Эти величины удивительным образом оказались близкими к современным представлениям о толщине земной коры. Напомним, что Ломоносов считал историю Земли очень длинной, равной многим сотням тысяч, а возможно, и миллионам лет. В воззрениях Ломоносова лишь смутно угадывается предвидение будущих научных идей. Но именно в этом предвидении состоит гений М.В. Ломоносова, позволивший ему подняться выше современной ему науки и дать направление для дальнейшего развития научной мысли.

XIX в.: «Весь земной шар наполнен бушующим морем огня».

В течение XIX в. господствующей идеей в представлениях о внутреннем строении Земли была идея о том, что весь земной шар наполнен бушующим морем огня, которое прикрывает лишь тонкая земная кора. Весь XIX в. выделен нами поэтому в особый период, несмотря на наличие других взглядов на строение Земли. Как мы видели, развитие представлений о внутреннем строении Земли шло с середины XVII в. таким образом: идея о пассивном центральном огне (до середины XVIII в.) и идея развития Земли как планеты и активного воздействия ее недр на поверхность Земли (вторая половина XVIII в.). Эти два направления как бы слились воедино в начале XIX в., когда господствующими стали представления об огненно-жидкой внутренности Земли, прикрытой тонкой земной корой, и об активном воздействии этого расплава на земную кору. Вместе с тем в начале XIX в., несмотря на господство идеи об огненном состоянии внутренности Земли, в таком вопросе, как причины землетрясений, еще существовала гипотеза более раннего периода о каналах и пустотах внутри Земли и о действии сжатых паров и газов, вызывающих землетрясения. Лишь с начала XIX в. в соответствии с общими представлениями причиной землетрясений стали считать воздымающее действие огненного расплава. Наряду с этим в XIX в. существовали и вполне оформившиеся идеи о твердом и даже железном ядре Земли. Воззрения эти существовали одновременно с господствующей идеей и подготовляли тот период, когда, в свою очередь, сами стали господствующими. Развитие представлений о внутреннем строении Земли было тесно связано с общим развитием науки. Естествознание в XIX в. сделало значительный шаг вперед по сравнению с естествознанием XVIII в.; естествознание благодаря выявлению существующих в самой природе связей между различными областями исследования (механикой, физикой, химией, биологией и т.д.) превратилось из эмпирической науки в теоретическую, становясь при обобщении полученных результатов системой материалистического познания природы. Огромные открытия в области физики, химии, механики, геологии, географии и других наук, сделавшие в некоторых случаях полный переворот в соответствующей области знания, давали материал и для научного обоснования представлений о строении Земли. Непосредственные знания о Земле давали астрономия, геодезия, география и геология.

Как казалось, эти явления хорошо укладывались в схему строения Земли, вытекающую из гипотезы Канта-Лапласа: огненно-жидкий шар, прикрытый сверху тонкой земной корой. Эти представления несколько усложнились к концу рассматриваемого периода. Гипотеза огненно-жидкого состояния Земли, которую выдвигали главным образом геологи, получила название гипотезы флюидизма. Наряду с этим со второй четверти XIX в. на основании теоретических расчетов возможного изменения температуры с глубиной, явлений смещения земной оси (прецессии) и величины этого смещения (нутации) начала развиваться гипотеза ригидизма -- твердого состояния недр Земли. Эта гипотеза, которую поддерживали главным образом физики и астрономы, была основана на изучении Земли преимущественно как отвлеченного физического тела, хотя исходной точкой для обеих идей были представления об остывании Земли из расплавленного состояния. Кроме этих двух основных гипотез, как сказано выше, в работах некоторых геологов и химиков постепенно возникали и развивались представления о химическом составе Земли, о железном ее ядре. Таким образом, в XIX в. постепенно наметились различные направления в изучении не только Земли в целом, но и ее внутреннего строения с точки зрения геологической, астрономо-физической и химической. Господствующей оказалась гипотеза флюидизма, выдвинутая геологами.

В ясной форме представление о раскаленно-жидком состоянии внутренности Земли, а также гипотеза поднятия была выражена в трудах крупнейшего геолога и путешественника Александра Гумбольдта. Существование огненно-жидкого расплава внутри Земли доказывалось, по мнению Гумбольдта, извержениями вулканов и истечением на поверхность расплава, расположенного на небольшой глубине. Именно поэтому наибольшее внимание А. Гумбольдта было обращено на вулканизм, на нем была основана его концепция, которая в то же время хорошо согласовывалась с гипотезой Канта-Лапласа. Во многих работах А. Гумбольдта подчеркивается, что вулканизм -- это про явление дикой силы, заключенной в глубинах нашей планеты, воздействие внутренней огненно-жидкой внутренности Земли на охлажденную и затвердевшую земную кору, связь внутренних и внешних частей планеты. В ранней стадии существования планеты, как утверждал Гумбольдт, земная кора была тоньше. Ее прорывали более мощные, чем теперь, вулканические силы, и расплавленное вещество выливалось через трещины на поверхность. Это были эпохи великих переворотов, когда вдоль трещин коры вследствие воздействия расплавленной массы поднимались материки, горные цепи и отдельные горы, такие, как Гималаи, Анды, Кавказ, Гиндукуш, Персидское плоскогорье, плато Центральной Азии и др. В настоящее время земная кора вследствие охлаждения стала толще и действие вулканов значительно слабее. Вулканические силы сотрясают Землю по определенным направлениям или кругам одновременных колебаний, которые в течение многих веков остаются неизменными. Гумбольдт сделал интересную попытку определить химический состав расплавленного вещества, т.е. подошел по существу к вопросам геохимии. Новейшая химия, по его словам, утверждает, что в вулканах горят, т.е. находятся в расплавленном состоянии, металлы и металлоиды. Твердая, частично окисленная земная кора отделяет окружающий ее насыщенный кислородом воздух от горючего неокисленного материала внутри планеты. Сжатые пары выталкивают по трещинам окисляющуюся, расплавленную массу, поэтому вулканы, через которые она выливается, можно назвать внутренними источниками. Расплавленная масса, поднявшись до поверхности, изливается и, наконец, застывает.

Еще один любопытный вывод сделал Гумбольдт из своих представлений о внутреннем строении Земли. По его предположению внутреннее тепло Земли является возможной причиной удивительного явления: часто органические ископаемые остатки находятся в противоречии с существующим климатом. Так, например, в холодных северных странах находят погребенные остатки тропических животных и растений.

Для решения этой проблемы, по словам Гумбольдта, выдвигали много гипотез: приближение кометы, изменение наклона эклиптики, периодическое изменение интенсивности солнечного излучения. Однако ни одна из этих гипотез не удовлетворяла полностью астрономов, физиков и геологов. Гумбольдт выдвинул гипотезу для объяснения этого явления: причины изменения тепла связаны с процессами окисления при сообщении между внутренней и внешней частью Земли. Там, где в древности через глубокие трещины выделялось тепло из недр Земли, существовали растения и животные жаркого климата. Таким образом, А. Гумбольдт не только ясно сформулировал гипотезу вертикально направленного действия расплавленных недр Земли, но и попытался определить химизм этого процесса и связать с его влиянием изменение климата.

Работы Л. Буха и А. Гумбольдта в области разработки гипотезы поднятия считаются классическими. Представления о тонкой земной оболочке и снизу вверх направленных силах имели много последователей. В работе профессора минералогии Горного корпуса и Петербургского университета Д.И. Соколова несколько разделов посвящено происхождению и внутреннему строению Земли. В соответствие с известными в то время фактами, Соколов указывает, что Земля имеет форму шара, несколько сжатого у полюсов. Средний радиус Земли он полагает равным 6006 верстам, среднюю ее плотность около 5, а плотность земного черепа (т.е. - коры) --2,5, соответственно удельному весу слагающих его минералов. Плотность Земли увеличивается к центру. Первоначальное состояние Земли соответственно математическим вычислениям (Соколов ссылается на работы французского астронома и физика Д.С. Араго), несомненно, было жидким. Из фактов геогностических и математических Соколов заключает, что Земля наша представляет шарообразное тело, состоящее из твердой скорлупы и огненно-жидкого ядра и внутренность земного шара представляет, по этим соображениям, как бы горн плавильной печи, в котором нижнюю часть занимают всегда металлы, а верхнюю шлаки. Следует особенно подчеркнуть, что важная мысль об аналогии недр Земли с металлургической печью была высказана почти столетие спустя немецким ученым В.М. Гольдшмидтом. В этой аналогии Гольдшмидт видел доказательство существования железного ядра Земли. У Д.И. Соколова нет прямых указаний на железное ядро, но отмечено, что металлы занимают нижнюю, т.е. центральную, часть Земли. По существу мысли Д.И. Соколова и В.М. Гольдшмидта очень близки.

Работы немецкого геофизика Вихерта с 1897г. способствовали более или менее общему признанию представлений об оболочечном строении Земли. По концепции Вихерта, Земля состоит из тонкой коры, твердой каменной оболочки, мощность которой колеблется от 1200 до 1600 км и температура которой увеличивается с глубиной, и твердого металлического ядра, состоящего главным образом из железа; между корой и каменной оболочкой имеется тонкий пластичный, может быть местами расплавленный, слой, не оказывающий какого-либо значительного влияния на общее состояние Земли. На основании данных сейсмометрии Вихерт принимал мощность верхней земной оболочки (коры) 31,5 км.

XX век.

Детальный анализ данных сейсмометрии и всех достижений сейсмологии был сделан в первой четверти XX в. русским геофизиком Б.Б. Голицыным. Он обнаружил резкие переходы физического состояния вещества Земли или разрывы плошности (непрерывности) физических свойств или критические поверхности на глубинах 106, 232 и 492 км. Тогда же немецкими учеными Гутенбергом и др. были установлены поверхности раздела на глубинах 1200, 1700, 2450 и 2900 км. Последняя цифра и представляла, по мнению Гутенберга, границу между каменной оболочкой и ядром. Тогда же, в первой четверти XX в., немецкий геофизик Клуссман отстаивал схему трехслойного строения Земли (не считая коры): твердые горные породы-де глубины 1200км, промежуточный слой, по составу близкий к железной руде, до глубины 2900км и ядро, состоящее из железа, кобальта, никеля.

Большую роль сыграли исследования хорватского геофизика Мохоровичича (1857-1936). Он на основании тщательного анализа сейсмометрических данных пришел к 1910г. к выводу о резком изменении вещества Земли на глубине около 50км. Эта поверхность раздела стала называться позже поверхностью Мохоровичича. Она стала условно считаться нижней границей земной коры. Мощность последней несколько позже, в 20 х годах, стала приниматься различной от нескольких километров в океанических частях до 25--80км в материковых.

В 20 х годах Гутенбергом было открыто наличие на глубине от 75 до 200км слоя пониженных сейсмических скоростей астеносферы, названной позднее волноводом. Построения модели Земли по сейсмическим данным до З0 х годов были многочисленны. В 1931г. Гутенберг предложил четырехчленное строение нашей планеты, с поверхностями разделов на глубине 50, 1200 и 2900км. Первая из них нижняя граница земной коры, последняя граница третьей оболочки с ядром. Он же, согласно Зюссу, выделял во внешней оболочке (земной коре) два слоя: сиалический (гранитный), отсутствующий под Тихим океаном, и симатический (базальтовый).

В 1931г. датский ученый Инга Ломан открыла второе, внутреннее ядро Земли, радиусом 1500 км. Позже было установлено, что внутреннее и внешнее ядра разделены переходным слоем мощностью приблизительно 300км. Наряду с построениями модели Земли по сейсмическим данным были такие же попытки, основанные на данных геохимии.

Много различных высказываний о внутреннем строении Земли было в первую половину XX в. со стороны петрографов. Одна из наиболее полных схем строения Земли была предложена американским петрографом Дели в 1914 г. Ниже слоя стекловатого базальта (субстрата) находится промежуточный слой, представляющий смесь железа и силикатов, под которой ядро, состоящее из железа с небольшой примесью никеля и других металлов. Железное ядро, по мнению Дели, выделилось еще в газообразную стадию существования Земли; сейчас оно, возможно, жидкое. В области Тихого океана гранитная оболочка отсутствует.

Интересные высказывания принадлежали в начале XX в. (1909 г.) австрийскому геологу Зюссу. Он выделял ядро, состоящее из никеля и железа, названное им Nife, промежуточный слой, состоящий из тяжелых магнезиально-железистых силикатов, где преобладают кремний и магний, названный им Sitna, и земную кору, состоящую преимущественно из легких силикатов с преобладанием кремния и алюминия, названную им Sial. Такое деление долго удерживалось в геологической литературе.

Признание многими геологами наличия подкоровой, пластической или жидкой сферы привело к ряду геотектонических гипотез: магматических течений, конвекционных течений, осцилляционной, астенолитной, радиомиграционной. Из перечисленных гипотез последняя была разработана в 1942г. В.В.Белоусовым. Представления о пластическом или жидком подкоровом слое в первые десятилетия XX в. легли в основу многих вариантов гипотезы горизонтального перемещения материков.

Некоторые исследователи утверждают, что вещество верхней мантии сходно с составом каменных метеоритов (группы хондритов). В 1957 г. на XI Генеральной ассамблее Международного геодезического и геофизического союза был предложен проект глубокого бурения для изучения свойств и физического состояния вещества верхней мантии. Бурение на континенте было возложено на СССР, через дно океана на США. Первый опыт бурения в открытой части Тихого океана был осуществлен в США в 1961 г. у южной оконечности Калифорнии вблизи острова Гваделупы. Скважина бурилась с баржи при глубине океана в месте бурения 3512 м. Скважина глубиной 180м прошла рыхлые осадки мощностью 167 м и 13 м базальта. В 1960 г. на XII Генеральной ассамблее Международного геодезического и геофизического союза В.В. Белоусовым был предложен проект всестороннего исследования верхней мантии Земли, получивший сокращенное название “Проект верхней мантии”. В его осуществлении приняли участие ученые разных специальностей из многих стран мира. В 1963 и 1964 гг. на ряде совещаний были обсуждены первые результаты работ по указанному проекту. В 1963 г. на XIII Генеральной ассамблее Международного геодезического и геофизического союза, проходившей в США, был создан Международный комитет по верхней мантии Земли, председателем которого был избран член-корреспондент АН СССР В.В. Белоусов. Им в 1966 г. опубликованы первые результаты геофизических исследований по международной программе.

В 60 х годах установилось представление, что верхняя мантия и земная кора тесно связаны многими общими геологическими процессами. Эту часть земного шара предложено (сначала Д.Н. Соболевым, а затем В.В. Белоусовым) называть тектоносферой. Две составные части тектоносферы разделены поверхностью Мохоровичича. Сфера выше поверхности Мохоровичича, земная кора-предмет геологии на протяжении всего XIX в. стала в первой половине XX в. изучаться в неразрывной связи с верхней мантией и с некоторыми свойствами Земли в целом. В то же время вопросам строения и геологической истории земной коры, вопросы соотношения тектонических, магматических и метаморфических процессов стали в 40 60 х годах предметом многочисленных дискуссий в среде геологов, геофизиков, геохимиков.

Интересная гипотеза была предложена сотрудником Геологического института АН СССР В.Н. Лариным. В качестве механизма эволюции Земли автор предложил комплекс процессов, связанных с изменением ее внутренней структуры под воздействием водородных струй и с уменьшением количества водорода в ее недра. Какие же конкретные следствия имеют эти процессы? Главным результатом дегазации является прогрессирующее пульсационное расширение Земли, связанное с разуплотнением недр в связи с разложением гидридов. Геосинклинальный процесс объясняется подъемом водорода с границы мантии и ядра, который несет тепло по узким ослабленным зонам. В этих зонах металлы мантии наводороживаются и уплотняются, что ведет к образованию над ними зоны заглатывания. На поверхности Земли формируется геосинклинальная ванна, идет осадконакопление. Вещество астеносферного слоя при этом стекается под геосинклиналь, обусловливая на поверхности режим сжатия. По окончании дегазации мантия вновь разуплотняется, что ведет к возникновению астеносферного вздутия и переходу геосинклинали в фазу орогенеза. В свете этих представлений В.Н. Ларин дает оригинальную трактовку механизму геосинклинальной складчатости и даже моделирует его с помощью разогретого пластилина. Так как выделяющийся водород несет с собой тепло земных недр, становится понятным повышение теплового потока при развитии геосинклинали. Цикличность тектогенеза автор связывает с дискретностью процесса выделения водорода во времени. Начало дегазации обусловливает заложение в областях выхода на поверхность водородных струй геосинклинальных систем. Увеличение объема мантии ведет к очередному этапу расширения Земли. Таким образом, объясняется разобщенность эпох складчатости и этапов расширения. Формирование тектоногена (зоны заглатывания) и сопряженной с ним депрессионной воронки позволяет по-новому оценить процессы современной тектономагматической активности, в частности, зон Вадати. Характерный излом этих зон обусловлен разным характером и интенсивностью сейсмичности устья тектоногена (интенсивная глубокофокусная сейсмичность) и депрессионной воронки (среднеглубинная сейсмичность). Дрейф литосферных плит в свете гипотезы изначально гидридной Земли связывается с образованием рельефа на подошве астеносферного слоя вследствие его неодинакового разуплотнения струями водорода. Формирование силикатно-окисной коры является следствием долговременной продувки мантии водородом. Вынос больших масс кислорода вызывает разогрев внешних оболочек за счет экзотермических реакций окисления. Высокие температуры и давления (ускорение силы тяжести в архее, по В.Н. Ларину, было в три раза больше современного) обусловили возможность возникновения в архейской коре пород гранулитовой фации метаморфизма на относительно небольших (до 10 км) глубинах. Строение переходного слоя С мантии автор объясняет интерметаллическим составом слагающих его пород. Такая точка зрения является альтернативной распространенному мнению о том, что аномальность слоя С связана с резкими изменениями физических свойств пород вследствие фазовых превращений слагающих их минералов. Земной магнетизм с позиций гипотезы изначально гидридной Земли объясняется моделями динамо- (неодинаковая прецессия ядра и мантии) и электромагнита (точки протонов или электронов из глубин к поверхности Земли), которые могут действовать одновременно. Следует отметить, что автор сам предлагает пути проверки своей гипотезы (В.Н. Ларин, 1975). Таким образом, в положениях гипотезы В.Н. Ларина мы находим все атрибуты геодинамической концепции. Движущей силой геодинамических процессов в рамках гипотезы являются реакции с участием водорода в глубинах Земли. Механизм действия этих сил проявляется в движении струй водорода, дегазирующего с границы мантии и ядра, и обусловливает различные тектонические, геохимические, геофизические и металлогенические явления в процессе развития планеты (результат). В этом, как нам представляется, наиболее сильная сторона концепции: многообразные геологические явления связываются с одной причиной -- выделением водорода вследствие дегазации. Учитывая успехи науки и техники в области космонавтики, глубоководного бурения, эксперимента при высоких температурах и давлениях, можно надеяться, что основные положения гипотезы могут быть проверены уже в ближайшем будущем.

Современные представления (80 е--90 е годы).

Ньютон первым показал, что вращающаяся Земля должна быть эллипсоидом вращения, слабо сжатым у полюсов (так называемый сфероид). Французский астроном и геодезист Кассини, основываясь на результатах первоначальных измерений, придерживался противоположной точки зрения и считал, что у Земли, подобно яйцу, сжат экватор и вытянута полярная ось. Результаты измерений убедительно показали, что Земля сжата у полюсов, как и предсказывал Ньютон. Сжатие для Земли постоянной плотности, вычисленное Ньютоном, равно 1/230. Наблюдения орбит искусственных спутников дают величину 1/298,25 с точностью 1/300002291. Средний экваториальный радиус Земли равен 6378,160км, полярный -- 6356,775км. Наблюдения орбит искусственных спутников Земли позволили значительно усовершенствовать определения уклонения геоида от сфероида. Один из наиболее известных выводов спутниковой геодезии состоит в том, что Земля имеет грушевидную форму. В действительности же отклонения геоида от сфероида, создающие грушевидность, меньше 20м, в то время как экваториальное вздутие Земли достигает 20км. Какова же непосредственно внутренняя структура Земли? Центральное ядро Земли было обнаружено Олдгемом, обратившим внимание на то, что волны Р вблизи эпицентрального расстояния 180градусов приходят значительно позже, чем можно было ожидать. Такая задержка была вызвана прохождением волн через ядро с пониженной скоростью. Волны Р и S наблюдаются до эпицентрального расстояния 103?, причем скорость возрастает с глубиной по мере прохождения волны через мантию основную оболочку Земли. Между 103? и 142? волны обычно исчезают -- создается зона тени. От 142 и до 180 появляется более поздняя волна Р, а волна S отсутствует. Из этого следует, что приблизительно на половине пути до центра Земли существует резкая граница раздела, ниже которой скорость волны Р внезапно уменьшается, а волна S исчезает. Это указывает на существование жидкого ядра, выше которого лежит твердая мантия. Глубину границы раздела можно определить различными способами, включая отражение ею волн. Гутенберг в 1914г. получил значение 2900км. Исследования последнего времени уменьшили его на 10км. Следовательно, средний радиус земного ядра равен 3470км. Границу между ядром и мантией называют также границей Гутенберга. Вторая отчетливая поверхность раздела на малой глубине была открыта Мохоровичичем. Он обнаружил по два вступления волн Р и S и интерпретировал их как вступления прямых и преломленных волн, распространяющихся с меньшей скоростью в коре (толщиной около 50км), лежащей на субстрате, где скорость больше и который теперь называется мантией. Разделяющая их граница названа границей Мохоровичича (или просто Мохо). О существовании трех основных зон внутри Земли было известно с 1910г. В период между мировыми войнами главные усилия сейсмологов были направлены на выявление и уточнение распределения с глубиной скоростей волн Р и S. Джеффрис и Гутенберг построили кривые скорость -- глубина. Основные особенности этого распределения скорости по глубине по сей день считаются правильными, хотя открытия современной сейсмологии позволили существенно уточнить его для верхних 1000км. Теория дрейфа континентов, тесно связанная с концепцией крупномасштабных конвективных движений в мантии, получила надежное обоснование только в 60 е годы. Картина стала быстро проясняться благодаря общему прогрессу. Когда отдельные сведения начали складываться в единую картину, геофизики поняли, что они могут не только смоделировать состояние современной Земли, но и проследить ход эволюции планеты в прошлом и даже ее судьбу на миллиарды лет вперед. С помощью новейшего метода, названного сейсмической томографией и предложенного в начале 80 х годов несколькими исследователями удалось получить снимки реальной Земли, основанные на измерениях сейсмических волн, прошедших сквозь земные недра. В сейсмической томографии используется тот факт, что в разных частях Земли сейсмические волны распространяются с разными скоростями. Этот эффект в большой степени определяется температурой: через холодные области волны пробегают быстрее, а через горячие -- медленнее. До глубин порядка 200км под континентами, по всей вероятности, располагаются области низких температур, а под срединно-океаническими хребтами, где раздвигаются литосферные плиты, -- области с высокими температурами. В более глубоких недрах строение мантии связано, по-видимому, не с определенными районами геологической активности, а скорее с крупномасштабными движениями континентов. Разогретое вещество подстилает Африку и среднюю часть Тихого океана. Кольцо холодных пород окружает Тихий океан, залегая под всеми материками, за исключением Африки, как если бы их растащили погружающиеся в глубь мантии потоки вещества. На границе мантия -- ядро, или СМВ (core-mante boundary), происходит наиболее резкое для недр Земли изменение физических и химических свойств. Силикатные породы мантии встречаются здесь с железным ядром. Сейсмические данные свидетельству ют о том, что в основании мантии по роды находятся в твердом состоянии и текут крайне медленно, в какой-то степени подобно стеклу. В противоположность этому внешняя часть ядра имеет примерно консистенцию воды. Разница в температурах между мантией и ядром может достигать 1000 градусов С. Джинлоз и Элис Ниттл, в настоящее время работающая в Калифорнийском университете в Санта-Крусе, предполагают, что СМВ представляет собой своего рода пористую перегородку, через которую может идти химическое взаимодействие между богатым кремнием веществом мантии и богатым железом веществом ядра. Вывод Джинлоза и Ниттл обоснован на экспериментально. Плотность ядра заметно меньше, чем у чистой железоникелевой смеси, и поэтому геофизики сходятся во мнении, что в нем должна присутствовать и какая-то более легкая составляющая. Он полагает, что в нижних слоях мантии материал слишком плотный, чтобы он мог преодолеть путь от ядра и подняться вплоть до земной коры, образовав горячие точки q. В слое D могли бы сформироваться малые конвективные ячейки. Если бы этот слой в достаточной мере разогрелся, он мог бы подняться и потом опуститься обратно через нижнюю мантию. Путь, по которому плюмы путешествуют через тело Земли, конечно, зависит от характера циркуляции мантийного вещества. И этот вопрос тоже предмет жарких споров. Одна школа исследователей считает, что вся мантия целиком перемешивается благодаря гигантским конвективным течениям, протягивающимся от самой СМВ вплоть до подошвы земной коры. Другой лагерь отдает предпочтение мантии, состоящей, по меньшей мере, из двух отчетливо выраженных слоев, в каждом из которых конвекция происходит независимо. В общем, как полагает Стивенсон, примерно 80% всех геофизиков склоняются к идее о глубокой конвекции в мантии. Однако сейчас обстановка меняется в другую сторону, поскольку все большее количество экспериментальных данных свидетельствует о значительном изменении состава мантии с глубиной. Компьютерные имитации, созданные Глатцмайером и специалистами по моделированию на компьютерах Дэвидом Берковичи из Гавайского университета и Джеральдом Шубертом из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, позволяют предположить, что внутренние источники тепла (такие, как радиоактивный распад) служат движущей силой крупномасштабной конвекции, тогда как нагрев снизу, скорее всего, приводит к образованию плюмов. Литосферные плиты, засасываемые в мантию, по- видимому, нередко изгибаются и отклоняются от первоначального на правления движения, когда достигают переходной зоны, как если бы они наталкивались на непроходимую границу. Сторонники послойной конвекции считают, что одна система мантийной конвекции действует между СМВ и зоной перехода, существующей на глубине 670км, а другая -- между этой переходной зоной и верхней границей мантии. Материал, находящийся ниже 670км, не может достигать земной поверхности, и процессы, происходящие на СМВ, могут лишь косвенно влиять на верхнюю мантию. Андерсен не видит доказательств того, что материал из области ниже 670км принимает непосредственное участие в поверхностных явлениях. В верхней его части циркуляция вещества внешнего ядра испытывает влияние со стороны горячих и холодных областей в относительно стационарной нижней мантии. Нет сомнений, сейсмотомографические карты действительно указывают на вероятные области расположения горячего и холодного мантийного вещества непосредственно над поверхностью ядра, возможно связанные с поднимающимся и опускающимся материалом. Блоксем вместе с магнитологом Эндрю Джексоном находит, что некоторые области быстрого течения в ядре и аномальной полярности, особенно примечательная из которых находится под Африкой, по-видимому, коррелируют с нагретыми районами, выделяемыми сейсмической томографией. К сожалению, точность сейсмических карт для таких огромных глубин весьма невысока и поэтому ко всем выводам в отношении температуры следует относиться достаточно критически. Продвигаясь глубже внешнего ядра с тем, чтобы исследовать внутреннее ядро, нужно вернуться к тем методам, которые используются для изучения твердой мантии. Первые представления о внутреннем ядре получены из томографических исследований, основанных главным образом на сейсмических волнах, участвующих в пульсации всей Земли. Сильные землетрясения и крупные взрывы заставляют Землю гудеть подобно колоколу. Если бы Земля была однородной по всем направлениям, все части ее колебались бы в унисон. На самом деле наша планета слегка эллиптична, а состав и температура мантии в разных местах различны, и все это усложняет всю картину колебаний. После учета указанных факторов остается еще некоторое пока не получившее объяснения искажение в общей картине гула Земли. По выявленной системе колебаний сейсмолог из Оксфорда Джон Вулхаус сделал вывод, что это искажение происходит из глубин внутреннего ядра. Он настойчиво указывает на совершенно очевидное объяснение асимметричных колебаний ядра. Поскольку кристаллы железа сами по себе асимметричны, сейсмические волны будут распространяться с большей скоростью в направлении ориентации этих кристаллов, чем в перпендикулярном направлении. Наблюдаемый сигнал может объясняться преобладающей ориентацией кристаллов железа во внутреннем ядре Земли. Но что может заставить кристаллы выстраиваться в одном направлении? И вновь на сцене появляется Джинлоз. Допуская, что никто не в состоянии составить подробную модель земного ядра, он, тем не менее, не может удержаться от умозаключения, что упомянутое выше явление есть следствие конвекции во внутреннем ядре. Он полагает, что эти движения должны быть крайне медленными -- порядка всего лишь нескольких сантиметров в год. И все же под действием таких течений могла бы возникнуть наиболее вероятная ориентация кристаллов железа во внутреннем ядре. Вудхаус считает подобный процесс конвекции достаточно приемлемым. Конвекция могла бы несколько изменять форму внутреннего ядра (а следовательно, и течения, и расположение кристаллов), заставляя его ориентироваться вдоль оси вращения. Действительно, направление оси вращения внутреннего ядра, найденное в результате изучения искажений собственных колебаний Земли, с точностью до 20 совпадает с осью вращения планеты. Итак, как было сказано выше, прогресс в технике и новые идеи и открытия в геологии очень тесно связаны. С появлением новых, мощных компьютеров и рабочих станций стало возможно вовлекать в анализ той или иной проблемы больше информации, делать ее обработку более качественно и быстро. Вообще, из общего развития геологии как науки видно, что чем больше информации включалось в обработку, тем более правильными и точными становились теории. В общем, в дальнейшем мне видится всплеск, появление более точных теорий и моделей, что, очевидно, будет связано с появлением новых компьютерных технологий и методов исследования земли (помимо сейсмических).