В действительности плотность и твердость пород, из которых сложена Земля, с глубиной меняются. Лабораторные опыты с различными породами показали, как меняется скорость распространения двух типов волн в зависимости от плотности и твердости различных пород при разных температурах и давлениях. Эти данные можно экстраполировать на те температуры и давления, которые господствуют в недрах Земли, но не поддаются воссозданию в лабораторных условиях[12]. Это считается рискованным делом (как и всякая экстраполяция), но геологи уверены, что они могут истолковывать действительную скорость распространения сейсмических волн на данной глубине и определять плотность находящихся там пород.
Оказывается, плотность Земли повышается довольно медленно и постепенно — с 2,8 грамма на кубический сантиметр на поверхности до 5,9 грамма на кубический сантиметр на глубине примерно 3450 километров.
А затем вдруг происходит резкий скачок. Об этом можно судить по поведению сейсмических волн. Сначала волны распространяются по областям, где с глубиной плотность повышается, а затем возвращаются к поверхности по тем областям, где эта плотность убывает, и по пути меняют направление и рассеиваются, подобно тому как рассеивается свет, проходя сквозь слой воздуха с меняющейся плотностью. Пока плотность изменяется постепенно, направление движения волн тоже меняется постепенно, и изгиб получается ровный. Именно так происходит, пока волны не достигнут глубины 3450 километров.
Представьте себе, что сейсмическая станция расположена на таком расстоянии от места землетрясения, что волны, возникшие от подземного толчка, проникают на указанную глубину. Все станции, находящиеся между нашей станцией и эпицентром, тоже принимают волны, проникающие вглубь на различные расстояния, но не достигающие 3450 километров.
Станция, которая расположена несколько дальше от эпицентра землетрясения, чем наша, по-видимому, должна зарегистрировать волны, проникающие на глубину больше 3450 километров, но она не отмечает их совсем. А станции, находящиеся еще дальше, на 1500 километров и более, четко регистрируют волны, хотя расстояние между ними и эпицентром землетрясения гораздо больше.
Короче говоря, на земной поверхности получаются районы («мертвые зоны»), напоминающие баранки, в центре дырок которых находятся эпицентры. В самой «баранке» волны не ощущаются. Это объясняется тем, что любая волна, проникающая на глубину более 3450 километров, вдруг резко меняет направление и минует «мертвую зону». Единственной причиной такого резкого изменения направления может быть неожиданно резкое изменение плотности.
Анализ времени прибытия волны в районы вне мертвой зоны показывает, что плотность резко увеличивается — с 5,9 до 9,5 грамма на кубический сантиметр. Ниже 3450 километров плотность с глубиной продолжает по-степенно расти, достигая примерно 12 граммов на кубический сантиметр в центре Земли.
Все это относится только к продольным сейсмическим волнам. Поведение поперечных волн более загадочно. Когда поперечные волны проникают на глубину более 3450 километров, они не просто меняют направление, а исчезают вовсе. Логичнее всего объяснить это так: продольные волны, в том числе и продольные сейсмические волны, могут распространяться в жидкости, а поперечные волны, в том числе и сейсмические, не могут. Следовательно, область Земли ниже 3450 километров должна быть жидкой.
На основе данных, полученных в результате изучения поведения сейсмических волн, мы можем считать, что Земля состоит из жидкого «ядра», имеющего радиус около 2900 километров и окруженного твердой мантией толщиной 3450 километров. Резкое разграничение между этими двумя главными частями впервые было продемонстрировано в работе американского геолога Бено Гутенберга в 1914 году, и поэтому оно названо «разделом Гутенберга».
В 1909 году сербский геолог Андрий Мохоровичич открыл неожиданное изменение в скорости сейсмических волн примерно на глубине 30 километров. Этот скачок скорости был назван «разделом Мохоровичича», который позже для простоты стали называть Мохо. Теперь общепринято, что Мохо — это граница, отделяющая мантию от находящейся поверх нее «земной коры».
Подробное изучение Мохо показало, что этот раздел находится на разных глубинах. Под береговыми районами суши глубина его равна примерно 30 километрам (например, под Нью-Йорком 35 километрам), но под горными районами он уходит вглубь до 60 километров. (Так как земная кора легче мантии, то можно сказать, что горы потому являются горами, что здесь имеется необычное скопление легкой коры, которая плавает, неглубоко погружаясь в мантию.)
И, наоборот, Мохо подходит довольно близко к поверхности в некоторых частях плотного океанского дна, которое глубже погружается в мантию, поскольку оно относительно тяжелее земной коры. В некоторых местах от уровня моря до Мохо всего 12–16 километров. Это особенно интересно, так как сам океан местами имеет глубину 8–10 километров, а пробурить воду совсем нетрудно. Если правильно выбрать место в океане, то останется пробурить только 5 километров твердых пород, которые фактически отделяют нас от Мохо.
Один из проектов скважины, которую предполагается бурить до мантии, как вы теперь понимаете, следует назвать Мохол[13] (лучше не придумаешь!).
Если мы хотим выяснить, из чего состоит Земля, то нам, в сущности, достаточно рассмотреть состав ядра и мантии. На ядро приходится 1/6 объема Земли, но, так как оно имеет сравнительно высокую плотность, масса его равна 1/3 массы планеты. Остальные 2/3 принадлежат мантии. Земная кора составляет всего лишь 1/250 от общей массы Земли, а гидросфера с атмосферой — и того меньше. Оказывается, мы можем совершенно не принимать во внимание именно те области Земли, о которых у нас есть прямые данные.
Из чего же состоят мантия и ядро? Плотность и другие свойства мантии мало отличаются от свойств коры, и поэтому общепризнано, что она должна быть в основном силикатной. Лабораторные опыты показывают, что при высоких давлениях колебания распространяются в минерале оливине (силикат магния и железа) с теми же скоростями, с какими в мантии распространяются сейсмические волны. Создается впечатление, что мантия отличается от земной коры большей однородностью, большим содержанием магния и меньшим содержанием алюминия.
А ядро? Наверно, оно тоже силикатное, но не подвергся ли этот силикат, залегающий на глубине 3450 километров, неожиданным структурным изменениям? Не получилось ли так, что на силикат давили все сильнее и сильнее, пока все его атомы не улеглись гораздо более компактно? (Примерно так же, как под действием высоких давления и температуры атомы углерода в графите располагаются более компактно и происходит превращение графита в алмаз.)
Такое предположение существует, но нет никаких данных, подтверждающих, что при больших давлениях и температурах (которые нельзя воспроизвести в лабораторных условиях) силикат поведет себя именно так[14].
По мнению других, вещество Земли на этой глубине внезапно меняется по своей химической природе, и при этом сравнительно легкий силикат мантии уступает место некоему более тяжелому и жидкому веществу, из которого состоит ядро.
Но из чего все-таки состоит ядро? Если мы ограничимся только элементами, чаще всего встречающимися в земной коре, то единственным веществом, которое было бы плотным при существующих в глубине Земли давлениях (но не слишком плотным) и при существующих там температурах, окажется железо.
А может быть, это тоже очередной фокус?
Не совсем. Есть еще ряд доказательств, хотя и не прямых, но весьма выразительных. В 1866 году французский геолог Дюбре впервые высказал предположение, что ядро Земли железное; это случилось примерно за 30 лет до того, как были получены сейсмические данные о существовании ядра вообще. Свое предположение он основывал на том, что очень многие метеориты почти полностью состоят из железа. Это означает, что астрономические тела частично могут состоять из чистого железа. А почему, собственно, ядро Земли не может быть железным?
И в самом деле, есть три вида метеоритов: «железные метеориты», о которых мы только что говорили; группа гораздо чаще встречающихся «каменных метеоритов» и сравнительно редкие «троилитовые метеориты». Так и подмывает предположить, что эти метеориты являются остатками какой-нибудь землеподобной планеты (находившейся где-то между Марсом и Юпитером), которая разлетелась на куски; что каменные метеориты — это куски мантии планеты; железные метеориты — куски ее ядра; троилитовые метеориты — куски промежуточной зоны между мантией и ядром.
Если это действительно так (а большинство геологов, по-видимому, придерживаются именно этой точки зрения), то, проанализировав все три вида метеоритов, мы, в сущности, проанализируем, по крайней мере приближенно, состав мантии и ядра Земли.
Каменные метеориты в среднем имеют следующий состав (здесь и далее в процентах по весу):
Кислород … 43,12
Кремний … 21,61
Магний … 16,62
Железо … 13,23
Кальций … 2,07
Алюминий … 1,83
Как видите, каменные метеориты состоят в основном из силиката магния и железа, которыми так богат оливин. Вместе с основными примесями, кальцием и алюминием, силикат магния и железа составляет 98,5 % общего веса каменных метеоритов. Таких распространенных в земной коре металлов, как натрий и калий, в мантии явно мало. Впрочем, очень хорошо, что в коре их больше, так как эти элементы полезны и важны для жизни.
Состав железных метеоритов таков:
Железо … 90,78
Никель … 8,59
Кобальт … 0,63
Сколько-нибудь значительных количеств других элементов в них нет. Вот почему ядро Земли часто называют железо-никелевым.