Из чего состоит мантия

Точно этого не знает никто! Добыть кусочек вещества из глубоких недр – нет более заветной мечты у геологов. Сколько бы нерешенных задач сразу получило решение. Но… до этого пока далеко. Пока лишь по косвенным признакам можно обсуждать возможный состав и строение вещества мантии.

Долгое время основным материалом мантии считался оливин – хорошо знакомый многим желтоватозеленый, оливковый, а то и коричневый минерал, входящий в состав почти всех самых тяжелых горных пород Земли, когда‑либо изливавшихся из недр земных расплавленной магмой.

Из оливина же в основном состоят и каменные метеориты, прилетающие к нам на Землю из космического пространства.

Некоторые ученые считают, что это остатки строительного материала, из которого образовались планеты, в том числе и наша Земля.

Прибавление

В 1741 году в городе Лейпциге вышла в свет книжка, озаглавленная «Подземное путешествие Николая Клима». В ней рассказывалось о молодом бакалавре, который возвращался домой после окончания учебы. По дороге он знакомился с достопримечательностями мест, по которым шел. Внезапно его внимание привлекла пещера, из которой доносились странные звуки. Молодой человек достал веревку и попросил двух ученых мужей, кстати оказавшихся рядом, подержать ее. После чего он спустился в бездонную пропасть…

Дальше, как водится, рассеянные ученые, увлеченные спором о том, что находится в центре Земли, упустили конец веревки, и наш бакалавр полетел вниз, во тьму неизвестности.

Трудно сказать, сколько он падал в кромешной мгле. Неожиданно тьма рассеялась, и он увидел пролетающего мимо грифона – крылатого льва с орлиной головой. Николай схватил его за шею, взгромоздился на спину чудовища и дальше продолжал уже путешествие с относительным комфортом. Никаких светил видеть ему не удавалось и тем не менее темно не было. Скоро он опустился на поверхность какой‑то незнакомой планеты, которая вращалась внутри пустотелой Земли.

Это была планета Назар – двести немецких миль (около полутора тысяч километров) в окружности, населенная людьми‑деревьями. Странные аборигены не имели корней и могли медленно передвигаться. Количество ветвей означало общественный ранг жителя Назара. Так, например, королевский секретарь имел двенадцать веток‑рук и мог бы одновременно писать двенадцать писем сразу. Но облеченный высоким саном, он так медленно думал, что на каждый ответ уходило у него по нескольку месяцев. Впрочем, здесь все делалось медленно. Именно неспешность возводилась в ранг добродетели. Кто медленнее думает, тот и умнее.

Вокруг странной планеты вращался еще более странный спутник, населенный обезьянами… Пережив массу приключений в подземном мире, наш бакалавр был выброшен взрывом через ту же дыру обратно на Землю. И там он поспешил в родной город Берген, где его ждала прекрасная должность помощника звонаря.

Фантастика? Конечно! И не простая, а сатирическая. Написал ее превосходный писатель «отец датской литературы» Фрихер Людвиг Гольберг. Его сатира, высмеивающая хвастливых путешественников, бичующая сословные, политические и религиозные предрассудки, порядки при королевском дворе, вызвала целую бурю. Придворные священники потребовали не просто запретить книгу, но и сжечь ее рукою палача. Но сочинение тем временем уже было переведено на многие европейские языки и разлетелось по разным странам.

Пожалуй, «Подземное путешествие Николая Клима» – самое первое в литературе фантастическое путешествие к центру Земли, правда, преследующее отнюдь не познавательные цели.

В 1936 году известный английский физик и видный общественный деятель Джон Берналл предположил, что в глубине земных недр в условиях высоких температур и давлений кристаллики оливина сдавливаются, атомы переупаковываются и должны получаться кристаллы другой, большей плотности.

Аналогичную идею высказал в то же время и профессор Ленинградского горного института Владимир (Вартан) Никитович Лодочников. Он считал, что все физические свойства материи, находящейся в глубине Земли, должны изменяться.

Ученые стали испытывать оливин в лабораториях. Кубики желто‑зеленого минерала сдавливали и нагревали, снова нагревали и опять сдавливали. Очень подходил оливин под давлением по сейсмическим характеристикам к веществу мантии, но… При давлениях, соответствовавших глубине примерно 400 километров, он разрушался. Значит, из него могла состоять только верхняя и частично средняя мантия. А что же входит в состав нижней?..

Советский геофизик В. А. Магницкий и американский ученый Ф. Берч выдвинули гипотезу о том, что под действием гигантских давлений и температур сложные силикатные соединения (в том числе и оливин) распадаются на простые окислы кремния, магния, железа, но в более плотной упаковке.

В это было трудно поверить. Ведь кристаллическая решетка минералов – первооснова материи. Неужели простым давлением и повышением температуры можно ее изменить?..

В 1958 году австралийский ученый А. Рингвуд вместе со своими коллегами заключил образцы оливина в могучий пресс и, нагрев их до температуры примерно в 1000 градусов, сдавил до 100 тысяч бар.

Результат оказался удивительнейшим…

Если рассмотреть кристаллик обычного оливина под электронным микроскопом, а потом построить модель упаковки его ионов кислорода, то получится ровная шестигранная призмочка. Примерно такая нарисована на рисунке. Но после опытов Рингвуда материал полностью перестраивался. Длинная призмочка с ионами кислорода в узлах превращалась в плотный приземистый кубик, соответствовавший кристаллической структуре твердой шпинели. Значит, прав был Берналл, говоря о возможности таких превращений, правы были Лодочников, Магницкий и Берч…

Кристаллические решетки минералов: А – гексагональная решетка оливина; В – кубическая решетка шпинели.

На одном из международных симпозиумов по геофизике, состоявшемся в 1963 году, советские специалисты показали зарубежным коллегам небольшие темные кристаллики непонятного вещества. Никто из геологов не мог определить, что это такое. Вроде бы кварц, а вместе с тем и не кварц. Очень уж плотен и тяжел…

Оказалось, все‑таки кварц, только побывавший в условиях сильного сжатия и высокой температуры. Его получили советские ученые С. М. Стишов и С. В. Попова в лаборатории Института физики высоких давлений Академии наук СССР.

По имени одного из своих творцов новый минерал получил и название – стишовит.

Интересной оказалась находка стишовита в естественных условиях. Американцы отыскали его в кратере Аризоны, где он образовался в момент мощного удара прилетевшего метеорита о Землю.

Получалось, что вещества, из которых сложены верхние слои мантии, могут составлять и нижние ее этажи. Но при этом кристаллы под действием высоких давлений и температур переходят из одного вида в другие.

Такие превращения, когда вещество из одного состояния переходит в другое, например вода переходит из пара в жидкость, а из жидкости в лед, называются фазовыми превращениями или фазовыми переходами. Эти переходы, по‑видимому, играют очень большую роль и значение в процессах, происходящих в глубоких недрах. Они помогают сегодня ученым представить себе не только состав нижней мантии, но и ядра Земли.