Агрегатное состояние вещества внутри земли
В связи со всем изложенным возникает вопрос: в каком же агрегатном состоянии находятся внутренние части Земли? В твердом, жидком или газообразном?
Последняя версия, т.е. представление о газообразном состоянии вещества внутри Земли, должна быть сразу же отклонена. Чтобы превратить в газ минералы, слагающие Землю, нужна более высокая температура, чем та, которая допустима, судя по изложенным выше данным.
Но в жидком состоянии породы могут оказаться. Известно, например, что кислые породы плавятся при 1000° – 1200°, основные – при 1300° – 1500° (а в некоторых случаях и ниже). Это значит, что уже на глубине 100 – 130 км породы должны бы расплавиться. Но существующее на этих глубинах давление повышает температуру плавления И вопрос сводится, следовательно, к тому, какое влияние окажется большим: высокой температуры или высокого давления?
Обратимся снова к помощи сейсмических наблюдений. Поскольку как продольные, так и поперечные волны свободно проходят через все оболочки Земли, заключенные между дневной поверхностью и границей ядра, значит всюду здесь вещество ведет себя так, как если бы оно было твердым. С таким выводом согласуются данные астрономии, согласно которым твердость Земли в целом близка (если не превышает) к твердости стали. По вычислениям В.Ф. Бончковского, твердость Земли равна примерно 12·1011 дин на квадратный сантиметр (т.е. более миллиона миллионов дин на 1 см), что в 4 раза больше твердости гранита.
Таким образом, все оболочки 3емли, кроме ее ядра, должны считаться находящимися в твердом состоянии. Жидкое состояние материи можно допустить лишь для совершенно незначительных участков в толще земной коры или в астеносфере, с которыми непосредственно связаны вулканы, а также некоторые иные проявления деятельности магмы. Подобные участки, надо полагать, приурочены к тем местам земной коры, в пределах которых происходят интенсивные складкообразовательные движения и которые отлагаются мощным сиалическим слоем, содержащим значительные количества радиоактивных элементов и благодаря этому разогревающимся относительно быстрее.
Как же согласовать вывод о твердости Земли с многочисленными фактами, указывающими на наличие движений в толще Земли, т.е. так называемых тектонических движений?
Вся геологическая история есть история движений земной коры, движений крайне разнообразных по форме проявления, по ориентировке, по масштабу, но движений постоянных, повсеместных и порою чрезвычайно интенсивных. Движения в верхних частях коры нельзя понять без допущения активности более глубоких горизонтов коры, а те в свою очередь требуют признания подвижности еще более глубоких частей субстрата, подстилающего кору. Действительно, тектонические движения захватывают толщу Земли на многие сотни километров вглубь, и одним из доказательств этого служат глубокофокусные землетрясения, т. е. землетрясения с очагами, лежащими на глубинах в сотни километров.
Одной из отличительных черт тектонических движений является их крайне малая скорость, порядка нескольких миллиметров или, реже, сантиметров в год. Правда, геология располагает такими запасами времени, что даже самые скромные по своему темпу движения успевают произвести грандиозный эффект.
Другим свойством тектонических движений является их дифференцированность, т.е. пестрота в смысле знака, направления, скорости. Именно эта дробность движений, разнообразие, различия в каждом данном пункте приводят к чрезвычайному усложнению геологического строения. Любая геологическая карта складчатой области отражает подобную «диффеpенцированность» тектонических движений.
Следовательно, приходится признать, что вещество наружных оболочек способно к перемещениям, притом повсеместным и крайне дифференцированным, по вместе с тем оно находится в твердом состоянии; и противоречия в том нет.
Твердость, даже твердость тел кристаллического строения, отнюдь не исключает способности к деформациям. Кристаллы способны к деформациям без разрыва, к изгибам, измятиям, и все это в твердом состоянии, без изменения и нарушения своей кристаллической природы, формы кристаллической решетки, даже ориентировки элементов этой решетки. В этом состоит сущность пластических деформаций.
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 яркие примеры пластических деформаций. Можно лишь повторить, что очень многие если не все, кристаллы (тем самым и минералы, а следовательно, и горные породы) потенциально 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.
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, близкое к гидростатическому давление достаточной интенсивности, играет ведущую роль, более существенную, чем температура.
Способность к деформациям может быть обусловлена не только пластичностью. Порода, состоящая из бесконечного количества отдельных минеральных зерен, получает дополнительные возможности к деформации вследствие перемещения зерен одного относительно другого. Кроме того, некоторая комбинация высокого давления и высокой температуры способствует, по-видимому, превращению кристаллических тел в аморфные, и тогда появляется возможность течь наподобие того, как текут жидкости, без каких-либо ограничений в смысле направления.
В целом, можно считать несомненным, что породы, находящиеся на большой глубине, от 15 – 20 км и глубже, оставаясь твердыми, получают возможность проявить свои пластические свойства в гораздо большей степени, чем на поверхности. В связи с этим мы можем несколько уточнить наши представления в отношении физических свойств вещества глубоких оболочек.
Тектонические движения представляют собой 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, движенийкороткого периода. На воздействия короткого периода недра Земли реагируют как твердое тело; на воздействия длинного периода – как жидкое. Это можно пояснить таким примером: 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 ледника, спускающегося с гор, спокойно и безостановочно течь, следуя всем изгибам долины, со скоростью до 2 – 3-х и более метров в сутки. В этом сказывается, между прочим, относительность наших понятий «твердое» и «жидкое».
Остается рассмотреть вопрос о ядре. Здесь обстановка иная. Каковы бы ни были гипотезы о плотности вещества в ядре, о температуре, давлении и т.п., один факт остается неизменным: поперечные сейсмические волны через ядро – по крайней мере через его внешнюю часть – не проходят. У нас нет пока иного объяснения этому факту кроме того, что вещество ядра ведет себя как жидкое – жидкое как по отношению к воздействиям длинного периода, так и короткого: ведь только жидкости не пропускают через себя поперечные сейсмические волны. Внутреннее же, или центральное, ядро, вероятно, твердое Однако такой ответ, подтвержденный специальными исследованиями во время последнего Международного геофизического года, нельзя считать окончательным. Во-первых, не исключена возможность того, что со временем будут обнаружены какие-то признаки прохождения поперечных волн сквозь ядро, а во-вторых, следует искать и иные объяснения: условия в ядре настолько отличаются от знакомых нам условий, что течение механических процессов в ядре может идти совершенно иначе, по новым, пока нам неизвестным путям. Лучше всего этот вопрос считать пока открытым.