Рис. 3.1. Сейсмические волны полностью останавливаются или преломляются слоями различной плотности. Жидкое внешнее ядро отбрасывает тень, которая начинается со 105-го градуса от источника землетрясения.
Позже в теневой зоне ученые обнаружили очень слабые волны. В 1936 году голландский сейсмолог Инге Леманн предположила, что еще одно изменение плотности происходит в ядре – на его глубине, равной примерно 2200 километрам. Это изменение ускоряло Р-волны и искривляло некоторые из них таким образом, что они появлялись в теневой области. Напрашивался вывод: внутри Земли находится внутреннее ядро из очень плотного твердого вещества. По оценкам, плотность внутреннего ядра составляет 12,3–13,3 грамма на кубический сантиметр.
Экстремальные условия
Строение Земли в современном представлении – это серия концентрических слоев, которые становятся все более плотными к центру (см. рис. 3.2). На плотность этих слоев влияют два противоположных фактора.
Во-первых, температура. Под ее влиянием породы размягчаются и плавятся. Внутренние слои Земли разогреваются под действием энергии, поступающей от распада радиоактивных элементов, содержащихся в породах. В центре Земли температура может достигать 3000 °C; затем она постепенно падает до 375 °C на границе между мантией и корой. Второй фактор, влияющий на плотность, – давление. Под его действием породы затвердевают и уплотняются. Чем глубже слой, тем больше вес вышележащих пород и тем выше давление в этом слое.
Рис. 3.2. Сейсмические исследования дали нам хорошее представление о слоистой структуре Земли. Состав коры определяется с помощью химического анализа.
Породы, прилегающие к поверхности, температура которой невысока, являются в основном твердыми и хрупкими. Такова литосфера – слой, состоящий из земной коры и верхней мантии; она простирается вглубь Земли на 60 километров. В этой точке сейсмические волны замедляются, что указывает на снижение плотности. Это происходит в астеносфере – слое пониженной прочности, где радиоактивное тепло не в состоянии быстро рассеиваться и породы плавятся. По консистенции этот слой напоминает тянучку; он простирается вниз почти на 200 километров.
Ниже астеносферы сейсмические волны движутся сначала с высоким ускорением, а затем, на протяжении 2100 километров, с более низким. Этот слой называется мезосферой; здесь давление борется с растущей температурой в попытке сделать породы более жесткими – они хоть и могут перемещаться, но очень медленно. На границе между мантией и ядром S-волны ослабевают; температура вначале достаточно высока, чтобы противодействовать огромному давлению, поэтому внешнее ядро является жидким на протяжении примерно 2200 километров. Но ближе к центру давление снова начинает преобладать, формируя твердое внутреннее ядро радиусом 1270 километров.
Таинственная мантия
Одно дело – знать о физическом состоянии внутренних частей Земли, совсем другое – знать, из чего они состоят. Что касается коры, то можно сделать ее анализ. В континентальных областях мы в обилии находим кремний и алюминий; в сочетании с кислородом эти минералы составляют наиболее распространенную породу – гранит. Под океанским дном и ниже слоя гранита на материках мы находим базальтовые породы, в которых преобладают кремний, железо и магний.
На этом наша уверенность заканчивается. Мантия, составляющая около двух третей массы Земли, до сих пор остается для нас terra incognita. Мы не можем добыть чистых образцов пород непосредственно из мантии. Породы, попадающие иногда на поверхность из-под коры, являются загрязненными. Например, при извержениях вулканов изредка выбрасываются сгустки мантии, которые состоят из оливина и пироксена. Эти уникальные породы образуются только при высоком давлении. Они содержат мало силикатов, зато в них много магния и железа.
Кое-где на дне океана лежат в обнаженном виде породы, которые когда-то были частью мантии, но контакт с морской водой резко изменил их первоначальный состав. Без свежих образцов геологи не могут даже точно сказать, из чего именно состоит мантия, как она образовалась и каково ее участие в процессах, происходящих внутри Земли.