Что в глубинах планет?

Изучение глубинного строения Земли и планет земной группы — проблема сложная. Какими же путями она решается? Один из путей состоит в изучении скорости распространения сейсмических волн в глубоких недрах. Известно, что скорость продольных сейсмических волн возрастает в более плотных средах. Сейсмические колебания могут быть вызваны источниками двух видов: естественными и искусственными. Естественными источниками колебаний являются землетрясения, волны которых несут необходимую информацию о плотности пород, сквозь которые они проникают. Арсенал искусственных источников колебаний более обширен. В первую очередь искусственные колебания вызываются взрывом. Проведением взрывных работ и изучением скоростей сейсмических волн занимается сейсморазведка — одна из важнейших отраслей современной геофизики. В последнее время геофизики все чаще стараются обходиться без взрывов, вызывая колебания с помощью специальных вибраторов.

Итак, мы видим, что на Земле проблема возбудителей сейсмических колебаний решается достаточно просто. Как эта же проблема разрешается на Луне и других небесных телах? При изучении глубинного строения планет на первое место выдвигается вопрос о возбудителях колебаний. Естественные сейсмические колебания зарегистрированы в настоящее время сейсмографами, установленными на Луне. Однако проблема глубинного изучения решается более определенно с помощью искусственных источников колебаний. На Луне, например, в качестве возбудителей сейсмических волн были использованы отработанные системы космических носителей. Американские исследователи для этой цели применяли лунный модуль или третью ступень ракеты носителя "Сатурн-5", падение которых строго регулировалось. Лунный модуль сбрасывался обычно на поверхность Луны с высоты около 100 км в определенном пункте с учетом положения заранее установленного сейсмографа. Изучение лунных сейсмограмм показало, что это небесное тело так же, как и Земля, состоит из нескольких оболочек.

Что же дало изучение сейсмических волн Земли? Анализ их распространения выявил несколько скачков изменения скорости при прохождении через недра планеты. Один скачок, при котором скорости возрастают с 6,7 до 8,1 км/с, как считают геологи, регистрирует подошву земной коры. Эта поверхность располагается на различных уровнях, от 5 до 75 км. Граница земной коры и нижележащей оболочки — мантии, получила название "поверхности Мохоровичича", по имени впервые установившего ее югославского ученого А. Мохоровичича.

Мантия залегает на глубинах до 2900 км и делится на две части: верхнюю и нижнюю. Граница между верхней и нижней мантией также фиксируется по скачку скорости распространения продольных сейсмических волн (11,5 км/с) и располагается на глубинах от 400 до 900 км. Верхняя мантия имеет сложное строение. В ее верхней части имеется слой, расположенный на глубинах 100-200 км, где происходит затухание поперечных сейсмических волн на 0,2-0,3 км/с, а скорости продольных волн, по существу, не меняются. Этот слой назван волноводом. Его толщина обычно равняется 200-300 км. Часть верхней мантии и кора, залегающие над волноводом, называются литосферой, а сам слой пониженных скоростей — астеносферой.

Таким образом, литосфера представляет собой жесткую твердую оболочку, подстилаемую пластичной астеносферой. Предполагается, что в астеносфере возникают процессы, вызывающие движение литосферы.

Здесь уместно остановиться на интереснейшем опыте, поставленном под руководством академика А. П. Виноградова. Смесь из образцов различных горных пород и каменных метеоритов медленно пропускалась через раскаленное металлическое кольцо. Во время опыта вещество разделилось по плотности: легкие и подвижные компоненты поднялись кверху, тяжелые и тугоплавкие — опустились вниз. Процесс этот получил название зонной плавки. В строении верхних оболочек Земли установлена та же зависимость, обусловленная тем же процессом зонной плавки. Зонная плавка в земных условиях проистекает в астеносфере.

В подошве мантии происходит резкое уменьшение скорости распространения продольных волн с 13,9 до 7,6 км/с. На этом уровне лежит граница между мантией и ядром Земли, глубже которой поперечные сейсмические волны уже не распространяются. Радиус ядра достигает 3500 км; объем 16% объема планеты, а масса 31% массы Земли. Многие ученые считают, что ядро находится в расплавленном состоянии. Его внешняя часть характеризуется резко пониженными значениями скоростей продольных волн, во внутренней части (радиусом в 1200 км) скорости сейсмических волн вновь возрастают до 11 км/с. Плотность пород ядра равна 11 г/см³, и она обуславливается наличием тяжелых элементов. Таким тяжелым элементом может быть железо. Вероятнее всего, железо является составной частью ядра, так как ядро чисто железного или железоникелевого состава должно иметь плотность, на 8-15% превышающую существующую плотность ядра. Поэтому к железу в ядре, по-видимому, присоединены кислород, сера, углерод и водород.

У Земли существуют также и внешние оболочки: гидросфера и атмосфера. По определению академика В. И. Вернадского, земные оболочки — это концентрические слои, меняющиеся с глубиной в вертикальном разрезе планеты и отличающиеся друг от друга характерными для каждой, только ей свойственными особыми физическими, химическими и биологическими качествами.

Имеется еще один путь изучения глубинного строения планет — геохимический. Выделение различных оболочек Земли и других планет земной группы по физическим параметрам находит достаточно четкое геохимическое подтверждение, основанное на теории гетерогенной аккреции, согласно которой состав ядер планет и их внешних оболочек в основной своей части является исходно различным и зависит от самого раннего этапа их развития. Ведущий советский геохимик В. Л. Барсуков считает, что в результате этого процесса в ядре концентрировались наиболее тяжелые (железоникелевые) компоненты, а во внешних оболочках — более легкие силикатные (хондритовые), обогащенные в верхней мантии летучими веществами и водой.

Важнейшей особенностью планет земной группы является то, что их внешняя оболочка, так называемая кора, состоит из двух типов вещества: "материкового" — полевошпатового и "океанического" — базальтового.

Материковая (континентальная) кора Земли сложена гранитами или породами, близкими им по составу, т. е. породами с большим количеством полевых шпатов. Образование "гранитного" слоя Земли обусловлено преобразованием более древних осадков в процессе гранитизации. Гранитный слой, по мнению В. Л. Барсукова, надо рассматривать как специфическую оболочку коры Земли — единственной планеты, на которой получили широкое развитие процессы дифференциации вещества с участием воды и имеющей гидросферу, кислородную атмосферу и биосферу. На Луне и, вероятно, на планетах земной группы континентальная кора слагается габбро-анортозитами — породами, состоящими из большого количества полевого шпата, правда, несколько другого состава, чем в гранитах. Этими породами сложены древнейшие (4,0-4,5 млрд. лет) поверхности планет.

Океаническая (базальтовая) кора Земли образована в результате растяжения и связана с зонами глубинных разломов, обусловивших проникновение к базальтовым очагам верхней мантии. Базальтовый вулканизм накладывается на ранее сформировавшуюся континентальную кору и является относительно более молодым геологическим образованием.

В. Л. Барсуков считает, что условия проявления базальтового вулканизма на всех планетах земного типа, по-видимому, аналогичны. Широкое развитие базальтовых "морей" на Луне, Марсе, Меркурии, очевидно, связано с растяжением и образованием вследствие этого процесса зон проницаемости, по которым базальтовые расплавы мантии устремлялись к поверхности. Этот механизм проявления базальтового вулканизма является более или менее сходным для всех планет земной группы.

Спутница Земли — Луна также имеет оболочечное строение. Изучение ее глубин с помощью лунотрясений и при измерении физических полей показало, что она в целом однороднее Земли. По мнению советского геофизика И. Н. Галкина, глобальной особенностью глубинной структуры Луны является ее разделение примерно пополам на жесткую холодную внешнюю сферу и разогретую пластичную внутреннюю область, залегающую на глубинах 800-1000 км. Между внешней и внутренней оболочками выделяется переходная зона. Внешняя оболочка по аналогии с Землей названа литосферой. Литосфера Луны очень жестка и до такой степени добротна, что вызванные в ней сейсмические сигналы фиксируются длительное время. Скачок в скорости прохождения сейсмических волн устанавливается на разделе коры Луны и ее мантии и объясняется изменением состава горных пород. Мощность коры варьирует в широких пределах от 150 км на ее обратной стороне до 40 км на полюсах. В Море Дождей расчетная мощность 60 км.

В отличие от Земли, где скорость сейсмических волн в целом растет с глубиной, на Луне рост скоростей отмечается лишь в пределах коры. В мантии Луны скорость сейсмических волн не увеличивается. В переходной зоне, расположенной глубже 500-600 км, резко изменяются физические свойства пород, и уменьшается энергия сейсмических волн. Здесь размещаются очаги приливных лунотрясений. Внутренняя сфера Луны характеризуется резким ослаблением амплитуды поперечных сейсмических волн. Тем, что поперечные волны в ней не проходят, она напоминает ядро Земли и находится, вероятно, в жидком состоянии. Однако на Луне она названа астеносферой, потому что давление здесь такое же, как в астеносфере Земли на глубинах 100-150 км. Астеносфера Земли по толщине составляет 1/30-1/60 ее радиуса, а астеносфера Луны, по данным И. Н. Галкина, в 10 раз мощнее и составляет половину лунного радиуса. В центре Луны располагается железо-сульфидное расплавленное ядро радиусом 200-400 км.