Современные представления (80 е—90 е годы)

Ньютон первым показал, что вращающаяся Земля должна быть эллипсоидом вращения, слабо сжатым у полюсов (так называемый сфероид). Французский астроном и геодезист Кассини, основываясь на результатах первоначальных измерений, придерживался противоположной точки зрения и считал, что у Земли, подобно яйцу, сжат экватор и вытянута полярная ось. Результаты измерений убедительно показали, что Земля сжата у полюсов, как и предсказывал Ньютон. Сжатие f для Земли постоянной плотности, вычисленное Ньютоном, равно 1/230. Наблюдения орбит искусственных спутников дают величину 1/298,25 с точностью 1/300002291. Средний экваториальный радиус Земли равен 6378,160км, полярный — 6356,775км. Наблюдения орбит искусственных спутников Земли позволили значительно усовершенствовать определения уклонения геоида от сфероида. Один из наиболее известных выводов спутниковой геодезии состоит в том, что Земля имеет грушевидную форму. В действительности же отклонения геоида от сфероида, создающие грушевидность, меньше 20м, в то время как экваториальное вздутие Земли достигает 20км. Какова же непосредственно внутренняя структура Земли? Центральное ядро Земли было обнаружено Олдгемом, обратившим внимание на то, что волны Р вблизи эпицентрального расстояния 180градусов приходят значительно позже, чем можно было ожидать. Такая задержка была вызвана прохождением волн через ядро с пониженной скоростью. Волны Р и S наблюдаются до эпицентрального расстояния 103˚, причем скорость возрастает с глубиной по мере прохождения волны через мантию основную оболочку Земли. Между 103˚ и 142˚ волны обычно исчезают — создается зона тени. От 142 и до 180 появляется более поздняя волна Р, а волна S отсутствует. Из этого следует, что приблизительно на половине пути до центра Земли существует резкая граница раздела, ниже которой скорость волны Р внезапно уменьшается, а волна S исчезает. Это указывает на существование жидкого ядра, выше которого лежит твердая мантия. Глубину границы раздела можно определить различными способами, включая отражение ею волн. Гутенберг в 1914г. получил значение 2900км. Исследования последнего времени уменьшили его на 10км. Следовательно, средний радиус земного ядра равен 3470км. Границу между ядром и мантией называют также границей Гутенберга. Вторая отчетливая поверхность раздела на малой глубине была открыта Мохоровичичем. Он обнаружил по два вступления волн Р и S и интерпретировал их как вступления прямых и преломленных волн, распространяющихся с меньшей скоростью в коре (толщиной около 50км), лежащей на субстрате, где скорость больше и который теперь называется мантией. Разделяющая их граница названа границей Мохоровичича (или просто Мохо). О существовании трех основных зон внутри Земли было известно с 1910г. В период между мировыми войнами главные усилия сейсмологов были направлены на выявление и уточнение распределения с глубиной скоростей волн Р и S. Джеффрис и Гутенберг построили кривые скорость — глубина. Основные особенности этого распределения скорости по глубине по сей день считаются правильными, хотя открытия современной сейсмологии позволили существенно уточнить его для верхних 1000км. Теория дрейфа континентов, тесно связанная с концепцией крупномасштабных конвективных движений в мантии, получила надежное обоснование только в 60 е годы. Картина стала быстро проясняться благодаря общему прогрессу. Когда отдельные сведения начали складываться в единую картину, геофизики поняли, что они могут не только смоделировать состояние современной Земли, но и проследить ход эволюции планеты в прошлом и даже ее судьбу на миллиарды лет вперед. С помощью новейшего метода, названного сейсмической томографией и предложенного в начале 80 х годов несколькими исследователями удалось получить снимки реальной Земли, основанные на измерениях сейсмических волн, прошедших сквозь земные недра. В сейсмической томографии используется тот факт, что в разных частях Земли сейсмические волны распространяются с разными скоростями. Этот эффект в большой степени определяется температурой: через холодные области волны пробегают быстрее, а через горячие — медленнее. До глубин порядка 200км под континентами, по всей вероятности, располагаются области низких температур, а под срединно-океаническими хребтами, где раздвигаются литосферные плиты, — области с высокими температурами. В более глубоких недрах строение мантии связано, по-видимому, не с определенными районами геологической активности, а скорее с крупномасштабными движениями континентов. Разогретое вещество подстилает Африку и среднюю часть Тихого океана. Кольцо холодных пород окружает Тихий океан, залегая под всеми материками, за исключением Африки, как если бы их растащили погружающиеся в глубь мантии потоки вещества. На границе мантия — ядро, или СМВ (core-mante boundary), происходит наиболее резкое для недр Земли изменение физических и химических свойств. Силикатные породы мантии встречаются здесь с железным ядром. Сейсмические данные свидетельству ют о том, что в основании мантии по роды находятся в твердом состоянии и текут крайне медленно, в какой-то степени подобно стеклу. В противоположность этому внешняя часть ядра имеет примерно консистенцию воды. Разница в температурах между мантией и ядром может достигать 1000 градусов С. Джинлоз и Элис Ниттл, в настоящее время работающая в Калифорнийском университете в Санта-Крусе, предполагают, что СМВ представляет собой своего рода пористую перегородку, через которую может идти химическое взаимодействие между богатым кремнием веществом мантии и богатым железом веществом ядра. Вывод Джинлоза и Ниттл обоснован на экспериментально. Плотность ядра заметно меньше, чем у чистой железоникелевой смеси, и поэтому геофизики сходятся во мнении, что в нем должна присутствовать и какая-то более легкая составляющая. Он полагает, что в нижних слоях мантии материал слишком плотный, чтобы он мог преодолеть путь от ядра и подняться вплоть до земной коры, образовав горячие точки q. В слое D могли бы сформироваться малые конвективные ячейки. Если бы этот слой в достаточной мере разогрелся, он мог бы подняться и потом опуститься обратно через нижнюю мантию. Путь, по которому плюмы путешествуют через тело Земли, конечно, зависит от характера циркуляции мантийного вещества. И этот вопрос тоже предмет жарких споров. Одна школа исследователей считает, что вся мантия целиком перемешивается благодаря гигантским конвективным течениям, протягивающимся от самой СМВ вплоть до подошвы земной коры. Другой лагерь отдает предпочтение мантии, состоящей, по меньшей мере, из двух отчетливо выраженных слоев, в каждом из которых конвекция происходит независимо. В общем, как полагает Стивенсон, примерно 80% всех геофизиков склоняются к идее о глубокой конвекции в мантии. Однако сейчас обстановка меняется в другую сторону, поскольку все большее количество экспериментальных данных свидетельствует о значительном изменении состава мантии с глубиной. Компьютерные имитации, созданные Глатцмайером и специалистами по моделированию на компьютерах Дэвидом Берковичи из Гавайского университета и Джеральдом Шубертом из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, позволяют предположить, что внутренние источники тепла (такие, как радиоактивный распад) служат движущей силой крупномасштабной конвекции, тогда как нагрев снизу, скорее всего, приводит к образованию плюмов. Литосферные плиты, засасываемые в мантию, по- видимому, нередко изгибаются и отклоняются от первоначального на правления движения, когда достигают переходной зоны, как если бы они наталкивались на непроходимую границу. Сторонники послойной конвекции считают, что одна система мантийной конвекции действует между СМВ и зоной перехода, существующей на глубине 670км, а другая — между этой переходной зоной и верхней границей мантии. Материал, находящийся ниже 670км, не может достигать земной поверхности, и процессы, происходящие на СМВ, могут лишь косвенно влиять на верхнюю мантию. Андерсен не видит доказательств того, что материал из области ниже 670км принимает непосредственное участие в поверхностных явлениях. В верхней его части циркуляция вещества внешнего ядра испытывает влияние со стороны горячих и холодных областей в относительно стационарной нижней мантии. Нет сомнений, сейсмотомографические карты действительно указывают на вероятные области расположения горячего и холодного мантийного вещества непосредственно над поверхностью ядра, возможно связанные с поднимающимся и опускающимся материалом. Блоксем вместе с магнитологом Эндрю Джексоном находит, что некоторые области быстрого течения в ядре и аномальной полярности, особенно примечательная из которых находится под Африкой, по-видимому, коррелируют с нагретыми районами, выделяемыми сейсмической томографией. К сожалению, точность сейсмических карт для таких огромных глубин весьма невысока и поэтому ко всем выводам в отношении температуры следует относиться достаточно критически. Продвигаясь глубже внешнего ядра с тем, чтобы исследовать внутреннее ядро, нужно вернуться к тем методам, которые используются для изучения твердой мантии. Первые представления о внутреннем ядре получены из томографических исследований, основанных главным образом на сейсмических волнах, участвующих в пульсации всей Земли. Сильные землетрясения и крупные взрывы заставляют Землю гудеть подобно колоколу. Если бы Земля была однородной по всем направлениям, все части ее колебались бы в унисон. На самом деле наша планета слегка эллиптична, а состав и температура мантии в разных местах различны, и все это усложняет всю картину колебаний. После учета указанных факторов остается еще некоторое пока не получившее объяснения искажение в общей картине гула Земли. По выявленной системе колебаний сейсмолог из Оксфорда Джон Вулхаус сделал вывод, что это искажение происходит из глубин внутреннего ядра. Он настойчиво указывает на совершенно очевидное объяснение асимметричных колебаний ядра. Поскольку кристаллы железа сами по себе асимметричны, сейсмические волны будут распространяться с большей скоростью в направлении ориентации этих кристаллов, чем в перпендикулярном направлении. Наблюдаемый сигнал может объясняться преобладающей ориентацией кристаллов железа во внутреннем ядре Земли. Но что может заставить кристаллы выстраиваться в одном направлении? И вновь на сцене появляется Джинлоз. Допуская, что никто не в состоянии составить подробную модель земного ядра, он, тем не менее, не может удержаться от умозаключения, что упомянутое выше явление есть следствие конвекции во внутреннем ядре. Он полагает, что эти движения должны быть крайне медленными — порядка всего лишь нескольких сантиметров в год. И все же под действием таких течений могла бы возникнуть наиболее вероятная ориентация кристаллов железа во внутреннем ядре. Вудхаус считает подобный процесс конвекции достаточно приемлемым. Конвекция могла бы несколько изменять форму внутреннего ядра (а следовательно, и течения, и расположение кристаллов), заставляя его ориентироваться вдоль оси вращения. Действительно, направление оси вращения внутреннего ядра, найденное в результате изучения искажений собственных колебаний Земли, с точностью до 20 совпадает с осью вращения планеты. Итак, как было сказано выше, прогресс в технике и новые идеи и открытия в геологии очень тесно связаны. С появлением новых, мощных компьютеров и рабочих станций стало возможно вовлекать в анализ той или иной проблемы больше информации, делать ее обработку более качественно и быстро. Вообще, из общего развития геологии как науки видно, что чем больше информации включалось в обработку, тем более правильными и точными становились теории. В общем, в дальнейшем мне видится всплеск, появление более точных теорий и моделей, что, очевидно, будет связано с появлением новых компьютерных технологий и методов исследования земли (помимо сейсмических).