"«Если», 1993 № 09" - читать интересную книгу автора (Желязны Роджер, Силкин Борис, Старджон...)

Борис Силкин, кандидат геолого-минералогических наук ПЛАНЕТА «НА ВЫРЕЗ»

асколько хорошо мы знаем Землю «вглубь»?

Вопрос не так прост, как кажется. Радиус Земли более шести тысяч километров, а самая глубокая в мире скважина — она пробурена отечественными геологами на Кольском полуострове — едва превышает 12 километров. Пятая доля процента! Значит, образно выражаясь, мы прокололи булавкой на глобусе лишь верхний слой краски.

Однако не столь уж мы и невежественны. Ведь не только бурением познаются недра; существуют иные способы выяснить устройство глубин нашей планеты. Что же мы сегодня знаем и чего не знаем о внутреннем строении Земли?

Всякому известно, что из вулканов извергается лава. По существу, это просто расплавленный камень. Когда-то полагали, что таковы все «внутренности» Земли, а поверх — сравнительно тонкая (в сотню-другую десятков километров) твердь, на которой мы и расположились. Выходило, что мы живем как бы над огненным морем, а колебания оболочки — землетрясения — просто волны, бегущие по этому морю.

Это неверно: земной шар приходится рассматривать как целиком твердое тело; его средняя плотность выше, чем у стали! И никаких вечных всеохватывающих магматических бассейнов внутри нашей планеты не существует. Хотя на глубинах около сорока — пятидесяти километров температура уже такая, что камень должен бы плавиться, но давление там столь высоко, что ничего подобного не происходит.

Вот если только во внешней оболочке образуется трещина — тогда другое дело. Давление над ней падает, твердое вещество превращается в жидкость и с бешеной силой устремляется на поверхность. Здесь лава застывает и закупоривает трещину, так что жидкие участки магмы внутри Земли существуют совсем недолго, а действующих вулканов насчитывается «всего» около четырехсот пятидесяти.

Еще без малого сто двадцать лет назад австрийский геолог Эдуард Зюсс скорее догадался, чем доказал: планета подобна луковице, она состоит из концентрических слоев, по мере приближения к центру все более плотных. Впоследствии его гениальное предположение многократно подтверждалось (хотя и «осложнялось») методами астрономии, геофизики, геохимии, геологии.

Жизнь существует непосредственно на верхнем из этих слоев, который ученые именуют земной корой. Толщина ее в различных местах разная, на суше тридцать — сорок километров (хотя там, где высятся молодые горы, мощность коры может достигать 70 км). А под океанами она составляет едва двенадцать километров, и есть даже такие места, где она не толще пяти.

Как и другие «слагаемые» тверди, кора выдает себя скоростью, с которой по ней распространяются волны, возбуждаемые толчком землетрясения. Нельзя сказать, конечно, что сейсмологи радуются подобным природным катастрофам. Но пользоваться ими для развития своей науки они отлично научились.

Хорватский геофизик Андрия Мохоровичич, изучая сейсмограмму землетрясения, случившегося в 1909 году около его родного Загреба, заметил, что скорость волн на разных глубинах сильно меняется. Значит, меняются там и свойства пород. Область, где это происходит, лежит примерно в 30 км под поверхностью. Впоследствии другие сейсмологи подтвердили эту закономерность. Так возник термин «граница Мохоровичича», а поскольку западным ученым это имя показалось слишком сложным, то часто пишут просто, хотя и несколько фамильярно: «Мохо».

От наших подметок до Мохо — едва-едва одна сотая радиуса Земли. Но насколько важная! Именно отсюда мы черпаем все полезные ископаемые, без которых невозможно существование человечества. Для геолога же кора — осадочные (песчаники, глины, сланцы, известняки) и изверженные породы (граниты, базальты) — главный объект исследования, результаты которого он готов передать горнодобывающей промышленности.

Когда изучили сейсмограммы, записанные при землетрясениях, оказалось, что в горных районах гранитный слой мощнее, чем ожидали. Так, в Альпах толщина коры превышает 65 км. Стало ясно, что у гор есть… корни. Горные вершины подобны если не растениям, то айсбергам, плавающим «по пояс» в менее плотной среде и обладающим незаметной для глаза массивной частью.

Впрочем, пора поговорить о том, что же лежит под корой, ниже уже знакомой нам границы Мохоровичича. Здесь от сорока — пятидесяти километровых глубин и примерно до области, отстоящей на 2900 км от нас, расположена внешняя оболочка — мантия Земли. Хотя потрогать ее руками нам пока не дано, но о свойствах мантии можно судить по красноречивым «рассказам» тех же сейсмических волн, которые там преломляются, отражаются, а потом «излагают свои впечатления» приборам, установленным в обсерваториях.

Когда сейсмическая волна переходит из верхней части земной коры с ее гранитами и базальтами к мантии, ее скорость сначала понижается. Ученые полагают, что к этому приводит высокая температура, почти совсем расплавляющая породы.

Дело в том. что здесь, на глубинах 100–200 км под материками и 50 — 400 км под океанами, внутри верхних слоев мантии не так давно обнаружили «мягкий» слой, который назвали астеносферой. Хотя и это — не жидкость, но она обладает достаточной пластичностью, чтобы течь медленно, как смола или вар. А раз так, то и скорости сейсмических волн высокими здесь быть не могут. Но это характерно лишь для глубин менее 400 км. Потом — до тысячекилометровой глубины — сейсмические волны распространяются намного быстрее; здесь, очевидно, сказывается большая плотность пород, связанная с давлением верхних пластов.

Из чего же «сделана» мантия нашей планеты? К сожалению, прямых данных еще пока очень мало. Однако косвенные говорят о том, что главным образом — из перидотита. Эта порода содержит в себе оливин. Тот, кто читал знаменитый роман А.Н.Толстого «Гиперболоид инженера Гарина», помнит, как герой добывал несметное количество золота из «оливинового пояса» Земли. Тогдашним представлениям это не противоречило, но сегодня наука далеко ушла от них. Золотом там, по всей вероятности, не разживешься, но железом и магнием перидотит очень богат.

Высокие температуры и мощный нажим сверху заставляют тяжелые минералы изменять свои свойства, перекристаллизовываться и из нижних «этажей» поступать наверх вместе с вулканической магмой. Здесь с ними уже знакомятся геологи, которые интересуются различными, как они говорят, «магматическими проявлениями».

Отчего бы немного не пофантазировать? Например, можно представить себе, как человек — пускай в отдаленном будущем — пробурит очень глубокие скважины, и из недр на поверхность начнут поступать струи расплавленного базальта, образуя при застывании огромные плотины и дамбы или даже новые острова!

Но что же спрятано еще глубже, там, где кончается мантия? Где-то около 2900-го километра под поверхностью начинается земное ядро с температурами от пяти до десяти тысяч градусов. То, что у нашей планеты должен быть «желток», плотность которого выше, чем у наружных слоев, стало очевидным еще в конце прошлого столетия. Ученые рассуждали примерно так: средняя плотность земной коры составляет около трех граммов на кубический сантиметр, а средняя плотность всего небесного тела, на котором мы живем (ее удалось подсчитать астрономическими методами), — много выше, примерно пять с половиной граммов на тот же объем. Значит, ядро должно быть очень тяжелым.

Из чего же оно состоит? Снова на помощь призвали астрономию. Из космоса на Землю нередко залетают метеориты, часть которых — железная. Их плотность достигает 7,85 г/см' — так почему бы не предположить, что в центре Земли есть подобный железный «сердечник»?

Перед первой мировой войной немецкий сейсмолог Бруно Гутенберг обнаружил ядро уже не гипотетически. Конечно, и он не мог «вытащить» его на свет Божий. Но он заметил, что на огромных глубинах скорость сейсмических волн резко уменьшается: вместо тринадцати с половиной километров в секунду, как это наблюдается в мантии, всего до восьми с небольшим. Это для продольных волн, поперечные там вообще не проходят. Совсем!

Значит, земное ядро подобно… жидкости. Конечно, далеко не такой, как вода, это весьма густое вещество, но все же куда более текучее, чем то. из которого состоит мантия. Впоследствии, правда, оказалось, что «жидкая» гипотеза верна лишь для внешней части ядра, занимающей глубину примерно от пяти тысяч до 5120 км, а дальше — к самому центру планеты лежит совсем уж твердое ее небольшое внутреннее ядро, его даже именуют ядрышком. Недавно сейсмологам, проводившим для этого специальные взрывы, удалось зафиксировать хотя и слабые, но достаточно отчетливые волны, отраженные поверхностью этого твердого ядрышка.

По поводу химического состава ядра у ученых единого мнения нет. Многие придерживаются той точки зрения, что оно железное с небольшой примесью никеля. Таковы и железные метеориты, о которых говорят, что это осколки рассыпавшихся планет. Или, наоборот, не использованный при создании небесных тел «стройматериал». Так или иначе, по ним, мол, достоверно можно судить о строении центра нашей планеты.

Однако есть аргументы и у оппонентов, настаивающих, что ядро должно состоять из таких же силикатов, как и мантия, но только в «металлическом обличье», возникшем из-за гигантского давления: оно ведь даже на верхней границе ядра составляет 1,3 млн. атмосфер, а в центре Земли достигает невообразимых трех миллионов атмосфер. Кто тут прав, поживем — увидим…

В 30-х и 40-х годах, в немногочисленных тогда у нас произведениях научной фантастики выделялась повесть «Плутония», написанная видным геологом академиком В.А. Обручевым. Он достаточно серьезно предполагал, что внутри Земли находится гигантская полость. по которой и путешествуют его герои, встречая там древних животных и людей каменного века. Теперь ясно, что никакая подобная полость там существовать не может…

Загадочным для ученых остается вопрос: почему столь сильно отличается земная твердь суши от той, что слагает дно океанов? Первая ведь и толще, и намного древнее. Лишь с шестидесятых годов, когда завершились экспедиции, проведенные по программе Международного геофизического года и их результаты были сопоставлены с материалами международного проекта Верхняя мантия Земли», эта нелегкая проблема начала понемногу проясняться.

Впрочем, отдельные озарения и догадки были и ранее. Еще в 1620 году английский философ Фрэнсис Бэкон обратил внимание на то, что очертания Западной Африки на картах отлично «вкладываются» в абрис восточного побережья Южной Америки: казалось, каждому выступу соответствует своя впадина. Ему, правда, еще не пришла в голову мысль, что когда-то оба материка были единым массивом суши.

В последовавшие века не раз звучали голоса, вещавшие: здесь произошла катастрофа, гигантский участок суши (легендарная Атлантида) скрылся под морскими волнами, оставив по краям побережья континентов в том виде, как они существуют сегодня.

Первым, кто предположил, что на самом деле континенты движутся по поверхности Земли, был в 1858 году Антонио Снайдер-Пеллегрини. Но и его гипотеза не обошлась без вмешательства сверхъестественных сил: Великий Потоп, вот в чем все дело. Правда, сторонников эта гипотеза, весьма слабо обоснованная, практически не нашла.

Тут явился немецкий метеоролог Альфред Вегенер, и гипотеза начала обретать популярность. Хотя Вегенер располагал лишь незначительной частью той информации, которая есть сегодня у нас, но и при этом он заложил прочный фундамент в представления о строении и развитии планеты. Немало утверждений, сделанных ученым «сгоряча», не подтвердилось, но многое сегодня принимается большинством специалистов как основа для дальнейшего развития геофизики.

Сначала, однако, его сторонники выглядели чудаками. Сомнительным казалось уже то, что он не принадлежал к числу специалистов, профессионально изучающих твердое тело Земли. Метеоролог — так знай свою атмосферу! К тому же спортсмен: в 1906 году вместе со своим братом Куртом Альфред Вегенер поставил рекорд, продержавшись в полете на воздушном шаре целых 52 часа… Отличный лыжник и мастер запускать воздушные змеи. Со всеми этими способностями он добился — в качестве метеоролога — своего включения в состав датской полярной экспедиции в Гренландию. Потом — преподавание в Марбургском университете и в 1912 году — новая экспедиция на тот же ледяной остров. Гляциологические и атмосферные данные, собранные в этом походе, заняли множество томов. Затем младший офицер на фронте первой мировой войны, а с 1924 года заведующий кафедрой метеорологии и геофизики в Грацском университете (Австрия).

Его бурная биография закончилась трагически: в 1930 году Вегенер погиб, пересекая на лыжах один из ледников в Гренландии… В некрологах можно было прочесть о том, каким он был выдающимся специалистом по физике атмосферы, крупным полярным исследователем, отличным организатором и преподавателем — и все это правда, — но ни слова о том открытии, которое затем прославило его имя.

Каким образом Вегенер впервые пришел к убеждению, что континенты могут «разъезжать» по поверхности планеты, не совсем ясно. Говорят, его к этому подтолкнуло наблюдение за тем, как «телятся» (это почти термин, распространенный среди гляциологов) ледники. Ведь и ледниковый покров обладает немалой пластичностью, он «стекает» с гор в море, порождая айсберги…

Но более правдоподобны свидетельства, согласно которым его надоумили те же очертания материков на глобусе, что и менее пытливых предшественников. Так или иначе, в январе 1912 года Вегенер впервые публично изложил свою гипотезу, выступив с лекцией на заседании Германской геологической ассоциации во Франкфурте-на-Майне.

Последовало полупрезрительное молчание. Тогда всякому геологу и геофизику было «доподлинно известно», что Земля возникла в расплавленном виде и все еще остывает, при этом сжимаясь. Подобная модель отлично все объясняла: горные хребты — морщины на поверхности планеты, подобные тем, что образуются на кожуре высыхающего яблока. Аналогичные процессы порождают и гигантские прогибы, на месте которых возникают океаны, а там, где складки «выпирают» наверх, — материки, возвышенности. Движения коры — вверх или вниз, но никак не в горизонтальном направлении!

Но как, скажите, объяснить тогда столь странную совместимость очертаний Африки с Южной Америкой? И что за причина, по которой горные хребты обычно образуют узкие изогнутые пояса? Если б они возникали в результате «сморщивания» земного шара, складки распределялись бы на поверхности равномерно и шли бы по прямой, а не дугообразно, — взглянем на сухое яблоко.

Еще одно замечание. Когда провели статистический анализ топографических черт Земли, выяснилось, что большая часть площади, принадлежащей «сухопутным» возвышениям и океаническим впадинам, сосредоточена всего на двух уровнях. Один из них соответствует поверхности континентов, а другой — абиссалям, то есть наиболее глубоководной части моря. Такое неравномерное распределение возможно, если земная кора «составлена» из двух слоев: верхнего — относительно легкого, например, гранита, и нижнего, массивного, образованного базальтом, габбро или перидотитом. А ведь именно последние и слагают дно океана.

Есть у Вегенера и «свидетели» из мира животных. Правда, давно вымершие, но тем не менее весьма красноречивые. Небольшие пресмыкающиеся мезозавры, исчезнувшие около 270 миллионов лет назад, жили только в Бразилии и Южной Африке, и нигде более их следов существования не находили. Наиболее вероятно, что эти массивы суши тогда соприкасались друг с другом, и мезозавры свободно переходили из Африки в Америку, пока континенты не «разъехались».

Наконец, геологические обстоятельства. По обе стороны Атлантики на берегах обнаруживаются сходные породы. Если «свести» континенты вместе, подобно частям мозаики, огромные блоки геологических структур довольно легко совместятся, как бы естественно продолжая друг друга. Разорвите газетный лист, а потом попытайтесь совместить обрывки, пользуясь для этого не только очертаниями разрывов, но и строчками — и вы воспроизведете логику автора гипотезы дрейфующих материков.

Так в 1915 году Вегенер пришел к заключению, что некогда вся суша нашей планеты была единым целым, образуя гигантский суперконтинент — Пангею (по гречески это значит «Вся суша»). В своей книге «Происхождение континентов и океанов» он писал, что слой, лежащий под материками, выполняет роль очень вязкой «жидкости», по которой суша «плавает», подобно льдине на море.

Весьма изящный дополнительный аргумент: Земля, как известно, не совсем правильный шар, она несколько сплющена с полюсов и растянута в зоне экватора. Так вот, экваториальный выступ по величине как раз такой, каким он должен быть, если тело вращения состоит из вязкой «жидкости».

Все бы ничего, но были в гипотезе Вегенера и слабые места, и на них вскоре указал знаменитый английский геофизик Гарольд Джефрис. «Откуда вы берете энергию, чтобы двигать континенты?» — вопросил он. Действительно, попробуйте сдвинуть с места массив толщиной в сотни километров и площадью в миллионы квадратных километров!

Автор гипотезы предположил, что Америка «отъезжает» на запад от Африки и Европы силами прилива в земной коре, подобного морским приливам. А смещение Индии на север, как и вызываемое этим сминание земной коры в гигантские складки Гималаев, он объяснил «полюсостремительной» силой, связанной с вращением планеты.

Раздались и подковыристые вопросы других оппонентов: почему это Пангея оставалась цельной в течение большей части истории нашей планеты, а затем, совершенно внезапно, за какие-то десятки миллионов лет, развалилась на части, которые «поехали» в разные стороны? Словом, Вегенеру предъявили обвинение в том, что он «насилует» Землю и «играет в игру без правил».

Вегенер, которому было уже под пятьдесят, не стал отстаивать свою правоту «до последнего». Он лишь мягко укорил своих противников за необъективность, сравнив их с судьей, который выносит приговор на основании неполных данных. «Обвиняемый (Вегенер имел в виду планету. — на вопросы не отвечает, и нам приходится судить лишь по косвенным свидетельствам…»

После гибели Вегенера его гипотеза, казалось, стала фактом истории науки. Для специалиста высказаться публично в ее защиту означало рисковать своим реноме, а то и карьерой.

Лишь со временем шотландский геофизик Артур Холмс (тезка Конан Дойла и однофамилец его любимого героя) предположил, что силой, движущей континенты, могли бы стать конвекционные потоки вещества, существующие в мантии. Это на время помогло залечить наиболее болезненный «укус», причиненный гипотезе Джефрисом. Тем не менее общее весьма скептическое отношение к Вегенеру сохранялось десятилетиями.

Но вот наступил Международный геофизический год (1957–1959 гг.), когда ученые шести десятков стран стали изучать Землю по единому плану. Важное место заняло изучение Мирового океана, который, как известно, занимает две трети поверхности нашей планеты. К тому времени усовершенствовались и приборы, и техника наблюдений, так что морское дно стало доступным исследованию.

Тут-то и обнаружилась интересная закономерность: по дну всех без исключения океанов змеится гигантский горный хребет, возвышающийся над морским, ложем на два с половиной — три километра. Он опоясывает Землю непрерывной цепью шириной две-три тысячи километров, а длиной более шестидесяти тысяч (для сравнения: длина экватора — «всего» 42 тысячи км). Куда уж тут Гималаям и Андам с Кордильерами!

Случайностью такая система быть не может. Мало-помалу дело прояснилось: вся эта махина — порождение неких грандиозных процессов, происходящих в мантии планеты. Усилиями американских, французских, английских ученых, к которым присоединились и наши отечественные, с 60-х годов постепенно развилась теория плитовой тектоники.

Она гласит, что твердь земная разбита на отдельные «чешуйки», или плиты, вечно перемещающиеся относительно друг друга. Там, где они «разъезжаются» в стороны, из недр поднимается молодая горячая материя, которая, застывая, и образует великий подводный Срединно- океанический хребет.

Представим себе могучий поток такого расплава, вздымающийся наверх и ищущий себе выход. Он его находит там, где «крышка» послабее, — в пределах сравнительно тонкой океанической коры. Поток раздвигает и «разгоняет» по бокам континенты вместе с плитами, на которых они «возлежат». Так осуществляется дрейф континентов, угаданный, но не доказанный в свое время Вегенером.

В областях подъема горячей материи из недр плиты «разъезжаются», а там, где она, постепенно остыв, погружается, они стягиваются, наползают, наезжают, подминают друг друга и образуют большие опускания земной коры. Вот, например, Южно-Американская плита, на которой «сидят» Перу и Чили, едет со скоростью чуть ли не шесть сантиметров в год. А ведь этот «кусочек» земной коры протянулся примерно на пять тысяч километров.

Впрочем, необходимо ответить и на старый каверзный вопрос: от

А вот стремление более плотных материалов, слагающих Землю, уйти на глубину, а более легких — «всплыть», — тут уж энергии край непочатый. Чуть ли не полвека назад наш соотечественник академик О.Ю.Шмидт увязал геологическую историю Земли с ее астрономической «биографией», подчеркнув, что первоначально планета была однородной и лишь затем стала постепенно расслаиваться на ядро, мантию, оболочку. Это расслоение продолжается поныне, оно и «подпитывает» энергией могучие процессы, приводящие в движение целые материки.

Таким образом мозаика начала укладываться в стройную картину. Геология Африки и Южной Америки потому и сходна, что раньше это был единый массив суши. Австралия с Индией и Антарктидой — тоже «расставшиеся родственники». Молодые океаны, Атлантический и Индийский, «на глазах» растут, а старый, Тихий, «съеживается» за счет дрейфа обеих Америк на запад, а Евразии — на восток.

Словом, мысленно разрезав Землю, как арбуз «на вырез», ученые стали лучше понимать, как она образовалась, развивалась, как «устроена» ныне. Разумеется, понято далеко не все, но все же… Ибо, как сказал персонаж замечательной книги Рея Бредбери «Чудеса и диковины! Передай дальше»: «…На картах и на планах можно потрогать север, юг, восток и запад рукой, а потом сказать: вот мы, а вот Неизвестное — мы будем расти, а оно будет уменьшаться».