Рис. 10. Литосферные плиты. 1 - Евроазиатская (1, а - Китайская, 1, б - Иранская, 1, в - Турецкая, 1, г - Эллинская, 1, д - Адриатическая); 2 - Африканская (2, а - Аравийская); 3 - Индоавсталийская (3, а - Фиджи, 3, б - Соломонова); 4 - Тихоокеанская (4, а - Низка, 4, б - Кокос, 4, в - Карибская, 4, г - Горда, 4, д - Филиппинская, 4, е - Бисмарк); 5 - Американская (5, а - Североамериканская, 5, б - Южноамериканская); 6 - Антарктическая.

Мантия. Верхняя мантия (слой В), включающая подкоровую литосферу и астеносферу, отделена от средней мантии (слоя С, называемого также слоем Голицына) границей на глубине около 410 км, при переходе через которую сверху вниз сейсмические скорости резко возрастают.

Предполагают, что на этой глубине кристаллическая решетка некоторых минералов пиролита перестраивается в сторону более плотной упаковки атомов - оливины переходят в структуру шпинели с возрастанием плотности на 7-10% (а также, по-видимому, пироксены - (MgFe)SiO3 - в присутствии Аl2O3 переходят в гранаты, состоящие из твердого раствора пиропа - Mg3Al2Si3O12 - и Mg3(MgSi)Si3O12, с увеличением плотности на 10%). На глубине около 650-700 км в слое Голицына наблюдается еще одно возрастание скорости распространения сейсмических волн, которое связывают с переходом кристаллической решетки кварца, SiO2, в более плотно упакованную решетку стишоверита.

Слой Голицына отделен от нижней мантии (слоя D') границей на глубине около 1000 км, где возрастание скоростей распространения сейсмических волн с глубиной резко замедляется. Считают, что в слое D' это более медленное возрастание скоростей создается уже не перестройкой кристаллических решеток, а простым сжатием вещества под действием растущего давления. Между нижней мантией и ядром, по-видимому, имеется переходный слой D" толщиной около 200 км, в котором возможно некоторое убывание скоростей сейсмических волн с глубиной. Дискутируется вопрос о наличии на границе между мантией и ядром неровностей или неоднородностей.

Ядро. Внешний слой (слой Е на глубинах 2920-4980 км, объемом в 15.16% и массой 29.8% всей Земли) пропускает продольные, но не пропускает поперечные сейсмические волны. По этой причине считается, что слой Е находится в расплавленно-жидком состоянии. Об этом же свидетельствуют данные М. С. Молоденского о приливных колебаниях внутри Земли (если бы вся Земля была твердой, то приливные колебания на ее поверхности были бы слабее фактически наблюдаемых), данные Н. Н. Парийского о нутационных колебаниях земной оси с периодом около суток (которые без жидкого ядра были бы невозможными), а также данные о так называемых чандлеровских колебаниях полюсов (т. е. колебаниях Земли в целом относительно ее оси вращения) с периодом около 1.2 года, просуммированные, например, в книге У. Манка и Г. Макдональда [8] (см. также работу автора [9]).

Переходный слой F между внешним и внутренним ядром имеет толщину около 140 км. Внутреннее ядро имеет радиус 1250 км, объем около 0.7% и массу около 1.2% всей Земли. Продольные сейсмические волны проходят через него с большими скоростями, по сведениям последних лет ср=11.1-11.4 км/сек. В то же время данные об отражениях волн Р от поверхности внутренней части ядра, а также регистрация сейсмических волн Аляскинского землетрясения 1964 г. показывают, что через нее проходят и поперечные волны (имея здесь довольно малые скорости сs ≈ 3.6 км/сек.); по этим данным внутренняя часть ядра является твердым телом, по-видимому, близким к плавлению.

Распределение скоростей сейсмических волн по глубинам в мантии и ядре Земли показано на рис. 11. Распределение по глубинам давления и плотности по модели «Земля-2» В. Н. Жаркова, В. П. Трубицына и П. В. Самсоненко (а также температуры по ориентировочным данным) приведено в табл. 3.

Табл. 3. Давление, плотность и температура в недрах Земли.

Давление должно меняться с глубиной непрерывно, а плотность (и некоторые другие характеристики состояния вещества, такие как модули сжатия и сдвига и скорости распространения сейсмических волн; см., например, рис. 11) может испытывать и скачкообразные изменения - главный такой скачок происходит при переходе из нижней мантии во внешний слой ядра, где плотность возрастает почти вдвое.

Рис. 11. Распределение скоростей сейсмических волн P и S (в условных единицах) по глубинам в мантии и в ядре Земли по Б. Гутенбергу.

Еще в конце прошлого века высказывалось предположение, что земное ядро состоит из железо-никелевого сплава («нифе»), как железные метеориты (содержащие 89.1% Fe, 7.2% Ni и 3.7% FeS). Заметим, что для обеспечения измеренных астрономами средних плотностей вещества Меркурия, Венеры, Марса и Луны при условии наличия у них железных ядер надо отказаться от привлекательной космогонической гипотезы об одинаковом химическом составе планет земной группы (конкретно - об одинаковом содержании в них железа). Чтобы сохранить эту гипотезу, В. Н. Лодочников и затем В. Рамзей предположили, что ядра планет земной группы состоят, как и их мантии, из силикатов, но в особо плотном металлизированном состоянии. Однако детальные расчеты показали, что и при предположении металлизации силикатов гипотезу об одинаковом химическом составе этих планет сохранить не удается.

Более того, некоторые теоретические расчеты, также опыты группы Л. В. Альтшулера по ударному сжатию ряда веществ не подтвердили гипотезы, металлизации силикатов при физических условиях, свойственных ядрам планет земной группы; наоборот, эти опыты дали свидетельства в пользу высокого содержания железа в земном ядре (хотелось бы, чтобы эти результаты были подтверждены еще измерениями не в ударных, а в стационарных условиях). Правда, оказалось, что плотность железа и тем более железо-никелевого сплава немного больше, а скорость ср в них заметно меньше, чем нужно для земного ядра. Поэтому в железное ядро надо добавить более легкие химические элементы. Перебрав самые подходящие из них (О, S, Si, Аl), О. Г. Сорохтин [10] признал наиболее вероятным кислород и подобрал по плотности внешнего слоя ядра его химический состав - Fe2O, совместимый со структурой электронных оболочек железа при соответствующих давлениях.

Таким образом, Земля представляет собой сложную механическую систему - вращающийся толстостенный шар (мантия) с внутренней полостью, заполненной жидкостью (слой Е), в которой плавает небольшое шарообразное твердое ядро G, удерживаемое в центре системы Силами Ньютоновского тяготения и могущее вращаться иначе, чем мантия (см. работу автора [11]).

И внешний слой, и внутренняя часть ядра обладают большой электропроводностью (для их электрического сопротивления обычно принимают значение 0.0003 ом·см). Поэтому движения жидкости во внешнем слое и вращение внутренней части ядра суть движения проводников в геомагнитном поле. По законам физики эти движения должны порождать электрические токи. Магнитное поле этих токов может прибавляться к начальному полю и усиливать его. Согласно современным воззрениям, именно этот динамо-механизм, возможный благодаря наличию жидкого внешнего ядра, создает геомагнитное поле (см., например, главу 10 книги 19]). К обсуждению этого вопроса мы еще вернемся в главе 9.

Более детальные сведения о внутреннем строении Земли читатели найдут в книге В. А. Магницкого [2].