100 великих рекордов стихий - Непомнящий Николай Николаевич - Страница 34

Е. Артюшков — физик-теоретик, окончивший Московский университет в 1961 году. Его кандидатская диссертация была посвящена теории плазмы, докторскую диссертацию он защитил уже по теории геологической эволюции Земли.

Отправная идея Е. Артюшкова очень проста.

Земной шар состоит в основном из плотного жидкого ядра и более лёгкой твёрдой мантии. Между тем первоначальная Земля была однородной по составу. Во всяком случае, к этому сегодня склоняется большинство исследователей. Газопылевое облако, вращавшееся вокруг Солнца, гигантский сгусток метеоритов — нам сейчас неважно, из чего состояла «Праземля». Важно, что она была в основном однородной. Но позже появились ядро и мантия, резко различающиеся по плотности. Как и где произошло их разделение? Какие силы совершили это?

Силы гравитации! Тяжёлые вещества стремятся опуститься в поле силы тяжести вниз, лёгкие — подняться.

Могут ли подобные перемещения происходить в мантии? Расчёты показали, что могут, но уж очень медленно. Скорость частицы не превысит 10 в минус десятой сантиметра в год. Один сантиметр — за десять миллиардов лет! Слишком высока вязкость мантии, вряд ли в ней проходило гравитационное разделение.

А в ядре? Вязкость ядра намного меньше, чем мантии. Снова расчёты, и скорость получается равной сантиметру в год и более. Этого уже вполне хватает для быстрой дифференциации. И, кроме того, в ядре достаточно высока температура, чтобы вещество плавилось — переходило из твёрдого состояния в жидкое. И нужно ещё, чтобы в жидкое состояние перешла чуть ли не половина вещества.

Нижняя мантия сложена силикатными породами. Заключённое в ней ядро — также силикатное, но силикаты находятся в нём в особом состоянии: их электроны сильно сжаты, приближены к атомному ядру, как у металлов.

Есть и другая гипотеза: о полностью железном ядре и нижней силикатной мантии. В настоящее время трудно отдать предпочтение одному из этих предположений: слишком мало данных о составе и строении глубоких недр Земли. Но для наших рассуждений и неважно, как в точности обстоят дела на глубине — в любом случае это не противоречит гипотезе Е. Артюшкова.

Допустим, что ядро сложено силикатами. На границе между ним и нижней мантией температура достигает нескольких тысяч градусов, а давление 1,5 тысячи килобар! В таких условиях легко происходят фазовые переходы: твёрдые силикаты нижней мантии переходят в жидкое состояние. Более тяжёлые компоненты тонут. Они проходят разжиженный слой, попадают в ядро и опускаются в нём до тех пор, пока не встретят равное по плотности вещество. Тут пришельцы останавливаются и постепенно уравниваются с ним во всём. Возможно, что самые «весомые» из них доходят до более тяжёлого внутреннего ядра, о существовании которого говорит ряд учёных. Лёгкие компоненты тем временем всплывают. Подъём кончается у подошвы нижней мантии. Поднимающееся вещество наталкивается на неё, как вода на запруду, и здесь скапливается.

Можно сказать, что на границе раздела ядра и нижней мантии работает своеобразный гравитационный сепаратор. Его технологический цикл: перевод твёрдого материала в жидкий, а затем разделение. Так, по мнению Е. Артюшкова, была переработана (и перерабатывается сегодня) часть объёма нижней мантии.

Из всех оболочек земного шара только нижняя мантия является однородной по составу. Не она ли представляет сейчас первичное вещество нашей планеты, вернее то, что от него осталось? Гравитационная конвекция разделила это вещество в глубинах ранней Земли. Мы видим, как она создала жидкое и тяжёлое ядро и, наверное, способствовала появлению верхней мантии и земной коры; на формирование последних пошёл тот лёгкий материал, который скапливался у подошвы нижней мантии. Но как он проник сквозь нижнюю мантию и попал в верхние сферы земного шара?

В физике известен опыт: если тонкий слой жидкого вещества снизу нагревать, а сверху охлаждать, в нём появятся конвекционные ячейки, например, шестигранники. В них будет совершаться круговорот вещества: нагретое, как более лёгкое, — наверх, более холодное — вниз. Подобный процесс, возможно, происходит и в земных глубинах.

Всплывший после разделения материал расположился прямо под нижней мантией, как более лёгкий. И выходит, что в нижней мантии в результате высокого давления возникает ситуация, о которой мы говорили выше. В нижней мантии должна начаться тепловая конвекция, должны появиться гигантские конвекционные ячейки. По их краям лёгкий материал будет подниматься наверх. Правда, говорит Е. Артюшков, возможен иной способ подъёма — «каплями», будто воздушными шарами. Но данных о нижней мантии так мало, что отдать предпочтение тому или иному виду «транспорта» пока трудно.

Пройдя нижнюю мантию, лёгкий материал доходит до верхней. Здесь он уже обязательно делится на отдельные «капли», чтобы продолжить путешествие дальше. Размер «капель» — до сотен километров. Во время пути наверх они не успели остыть и, ещё разгорячённые, попали в верхнюю мантию — словно угли, выброшенные в остывшую золу.

Но условия в верхней мантии уже другие — давление меньше, чем на той глубине, откуда поднялся материал. Точка плавления веществ ниже. И если раньше при определённой температуре они не плавились, то сейчас при тех же градусах уже не могут устоять. Происходит снова плавление и снова разделение на тяжёлые и лёгкие компоненты. И так до тех пор, пока «угли не прогорят и не обратятся в золу». Самые лёгкие компоненты смогут подняться к разделу Мохоровичича, находящемуся между корой и верхней мантией. Гравитационная конвекция производит сортировку вещества и здесь.

По подсчётам Е. Артюшкова, каждые 200 миллионов лет в верхнюю мантию внедрялось огромное количество лёгкого вещества — около 10 в двадцатой степени граммов. Из него были сформированы верхние сферы Земли.

Как видите, эта новая гипотеза унаследовала лучшее от гипотезы контракции — в один процесс объединены магматические превращения и тектонические передвижения! Поднимающийся материал по своим свойствам напоминает магму. Она внедряется в недра Земли, образуя породы и различного типа месторождения, в то же время создаёт тектонические перемещения, приподнимая и раздвигая окружающие породы.

Гипотеза Е. Артюшкова не получила ни одного возражения со стороны специалистов.

…В недавнее геологическое время мощные ледники захватили часть суши, в том числе Фенноскандию и Канаду. Под их тяжестью земная кора сначала прогнулась, а затем, когда ледник отступил, выпрямилась. Будто специально природа поставила этот грандиозный эксперимент — представился случай узнать новое о свойствах верхней мантии. Геофизики, в частности, определили вязкость верхней мантии — до 1000 километров вглубь она постоянна.

Е. Артюшков, изучая движение верхних земных слоёв под нагрузкой и без неё, обратил внимание, что вскоре после освобождения ото льда подъём на отдельных участках происходил очень быстро — со скоростью больше 10 сантиметров в год. В дальнейшем скоростные участки подстраивались под общий, гораздо более медленный подъём. Так, глубокий прогиб в центральной Фенноскандии выровнялся за какие-нибудь 700 лет. А всему понижению потребовалось 10 тысяч лет, чтобы вернуться близко к первоначальной позиции.

Гидродинамические расчёты показали, что подобная картина может наблюдаться только при одном условии: в верхней мантии должен находиться слой, в тысячу раз менее вязкий, чем окружающие его породы. Роль этого слоя, по-видимому, исполняет астеносфера, лежащая на глубине 80–200 километров. Существование такой астеносферы давно предполагают геофизики.

…Замечено, что земная кора вертикально движется на платформах со скоростью нескольких миллиметров в год, редко достигает 1 сантиметра в год. В горах скорость возрастает в несколько раз. Но в среднем за десятки миллионов лет всегда получаются всё же много меньшие значения, иногда в тысячу раз. Геологи пришли к выводу, что земная кора движется в вертикальном направлении с перерывами. Она то поднимается, то опускается через каждые 1000–10 000 лет.