Строение земного шара

Лабораторные исследования, а также наблюдения в поле показывают, что природа не знает здесь преград и как самые прочные, так и самые хрупкие кристаллы, такие, скажем, как кварц, не говоря уже о мягких, податливых минералах, дают отличные примеры пластических деформаций, порою выраженных чрезвычайно ярко (рис. 12). Можно сказать, что все кристаллы (тем самым и минералы, а следовательно, и горные породы) пластичны, т. е. обладают, в большей или меньшей степени, способностью к пластическим деформациям, и степень этой способности зависит не только от внутренних, присущих данному веществу, свойств, но и от внешних условий.

Рис. 12. Кусок горной породы (железистый кварцит) из окрестностей г. Старого Оскола с мелкими складками, дающими пример ярко выраженных пластических нарушений.

Здесь мы несколько приближаемся к решению того вопроса, который был поставлен вначале: в каком состоянии находится вещество Земли в глубине. Оказывается, высокое давление и высокая температура благоприятствуют развитию пластических деформаций. Многие кристаллы становятся пластичными только в условиях всестороннего давления, превышающего по своей величине прочность этих кристаллов; таков, например, кварц. Притом давление, именно всестороннее, играет ведущую роль, более существенную, чем температура.

Можно считать, что уже начиная с глубины в 15–20 км все породы становятся пластичными, а многие из них достигают этой способности и гораздо раньше. Подчеркнем: они становятся пластичными, но остаются твердыми. И тектонические напряжения, развивающиеся в недрах Земли, разрешаются в форме пластических смещений, повсеместных, но крайне медленных, именно тех, которые геологами и названы тектоническими.

Здесь можно несколько уточнить наши представления в отношении физических свойств вещества глубоких оболочек. Тектонические движения представляют собою пример, как мы видели, движений очень медленных, движений «длинного периода». Удары землетрясений, распространяющиеся по толще Земли с огромной скоростью и быстро затухающие, наоборот, дают пример движений резких и кратковременных, движений «короткого периода». Так вот, на воздействия короткого периода недра Земли реагируют как твердое тело; на воздействия длинного периода — как жидкое. Это можно пояснить таким примером. Возьмите лед: если бросить льдину на пол или ударить по ней молотком, то она расколется, ибо лед хрупок. Но хрупкость эта не мешает тому же льду в форме горного ледника, спускающегося с гор, спокойно и безостановочно течь, следуя всем изгибам долины, со скоростью до 2–3 метров в сутки. Ясно, что наши понятия «твердое» и «жидкое» довольно относительны.

Нам остается рассмотреть вопрос о ядре Земли. Здесь обстановка иная. Каковы бы ни были наши гипотезы о плотности вещества в ядре, температуре, давлении и т. п., один факт остается неизменным: поперечные сейсмические волны через ядро не проходят. У нас нет пока иного объяснения этому факту, кроме того, что вещество ядра находится в жидком состоянии, в жидком как по отношению к воздействиям длинного периода, так и короткого. Ведь только жидкости (и газы) не пропускают сквозь себя поперечные сейсмические волны. Правда, здесь возникает много нерешенных и неясных вопросов; не исключена возможность того, что со временем будут обнаружены признаки прохождения поперечных волн через ядро; кроме того, может оказаться, что при том колоссальном давлении и той высокой температуре, которые господствуют в ядре, наши обычные рассуждения теряют силу и нужно искать какие-то иные закономерности. Мы не будем затрагивать эти сложные и нерешенные проблемы.

7. Химический состав Земли

Мы уже коснулись немного этого вопроса. Мы видели, что земная кора состоит в основном из магматических горных пород кислого или основного состава и что ее подстилает перидотитовая оболочка ультраосновного состава. Рассмотрим этот вопрос несколько подробнее.

Среди коренных пород, выходящих на поверхность Земли, преобладают осадочные (рис. 13).

Рис. 13. Обнажение осадочных горных пород близ г. Подольска, Моск. обл.

Но по мере увеличения глубины быстро возрастает роль изверженных, или магматических, пород; можно считать, что последние составляют процентов 95 от всей массы пород, заполняющих наружные 10–15 километров толщи земной коры. Поскольку химический состав горных пород известен, тем самым известен и химический состав внешних частей земной коры. Далее положение становится менее ясным. Если наши прежние рассуждения относительно состава и глубины залегания различных слоев в земной коре — гранитного, базальтового — правильны, то можно дать цифры, характеризующие химический состав земной коры («сиаль») в целом. Результаты получаются такими: кислород — около 50 %; кремний — около 25 %; алюминий — около 7 %; железо — около 4 %; далее следуют кальций, натрий, калий, магний, а все остальные элементы — в количествах менее 1 % каждый.

Ниже, в толще «перидотитовой», а затем и «промежуточной» оболочек, как обычно считалось, роль кислорода, кремния и алюминия снижается и на первое место выступает железо. Для всего земного шара, включая и ядро, приводились такие цифры (В. И. Вернадский, А. Е. Ферсман, Г. Вашингтон): железо — около 40 %; кислород — около 28 %, кремний — около 15 %; магний — около 9 %, далее никель, кальций, алюминий, а остальные элементы в количествах менее 1 % каждый.

Какие соображения положены в основу этих расчетов?

Прежде всего, как о том говорилось, данные о распределении плотностей внутри Земли. Сведения о законе изменения плотностей в глубинах Земли могут считаться достоверными. Увеличение плотности с глубиной несомненно, и средняя плотность Земли в целом — 5,52 — вычислена с большой точностью.

Другое обстоятельство — проблема метеоритов. Метеориты, блуждающие в мировом пространстве, выпадают на Землю в довольно больших количествах. В течение года Земля получает в виде метеоритов несколько тысяч тонн вещества. До последнего времени считалось, что метеориты, так же как и астероиды («малые планеты»), представляют собой осколки когда-то распавшейся планеты, орбита которой находилась между Землей и Марсом. Недавно высказана другая мысль, о которой мы уже говорили в начале статьи, касаясь гипотезы О. Ю. Шмидта: планеты суть скопление метеоритов. Так или иначе, в обоих случаях между планетами (в том числе и Землей) и метеоритами имеется, очевидно, некоторая родственная связь, и состав метеоритов не должен сильно отличаться от состава планет, в том числе и Земли.

К настоящему моменту хорошо изучено около 600 выпавших на Землю в разные времена и в разных местах метеоритов. Из них около 50 оказалось железными, остальные — каменные. Железные метеориты содержат 91 % самородного железа, остальное приходится на никель (8 %), фосфор и кобальт (1 %). Каменные метеориты по своему составу очень близки к ультраосновным породам типа перидотитов и содержат преимущественно такие минералы, как оливин, и близкие к нему.

В целом средний химический состав метеоритов, по А. Е. Ферсману, определяется такими цифрами: кислород — около 53 %; кремний — около 15 %; магний — около 13 %; железо — около 12 %; сера — около 2 %; алюминий — около 1 %; остальные элементы — меньше 1 % каждый ^[4]).

Какие же выводы можно сделать на основании этих сведений?

Прежде всего надо отметить химическое родство тел солнечной системы, химическое тождество их (мы сказали бы химическое единство) — вывод, имеющий большое методологическое значение. Ни одного элемента, ни одного минерала не обнаружено в метеоритах такого, которого бы не было на Земле.