Гравитационный сепаратор

Контракционная гипотеза до поры до времени устраивала большинство учёных, исследующих земные недра. Один-единственный процесс — контракция (сжатие) — объяснял, как был сформирован многообразный лик Земли и её недра, как образовались полезные ископаемые.

Чтобы пояснить гипотезу контракции, обычно говорят о печёном яблоке. Представьте, что такое яблоко положили остывать. Оно уменьшается в размере, сморщивается…

Быстрее всего остывали поверхностные слои Земли. Когда они охладились до температуры окружающей среды, то перестали уменьшаться в объёме. Внутренние же части планеты оставались горячими и продолжали охлаждаться, а значит, и сжиматься. Земная кора оказалась слишком просторной для внутренних частей и как бы повисла над ними.

В земной коре возникли так называемые тангенциальные усилия, сжимающие земную кору в складки, вызывающие колебательные движения, подъём магмы, разрывные дислокации…

Итак, жаркая Земля скрылась за холодной коркой и напоминает о своей тепловой мощи извержениями вулканов и землетрясениями. Такова гипотеза контракции, сформулированная в XIX веке Э. де Бомоном.

Довольно долго и благополучно прожила эта гипотеза. А потом вдруг обнаружилось, что на самом деле всё было не так. Не стоит приводить многочисленные возражения против гипотезы контракции. Её отвергли, и сегодня мало кто из специалистов рискует защищать её. Но с сочувствием вспоминать эту гипотезу продолжают: она была стройной, цельной, объясняла почти все явления, с которыми сталкивались некогда геологи и геофизики. И главное — контракция связывала воедино тектонический и магматический процессы. Отвечала за стихии!

Гипотеза контракции была отвергнута, но ей сумели найти замену. Как и положено в «междуцарствие», появились претенденты на «престол». Одна партия развивала идею о том, что главные движения в земной коре и верхней мантии — это вертикальные. Их изучение поможет понять внутреннее устройство Земли и заполнить от начала до конца её биографический листок. Противная партия считала, что горизонтальные движения являются ключом к познанию глубин. Дрейфующие континенты А. Вегенера — под таким флагом объединились поначалу сторонники «неспокойной» мобилистской партии. Появились также гипотезы пульсирующей Земли, расширяющейся и т. д. Но им всем не хватает цельности, свойственной отвергнутой гипотезе де Бомона.

Один из известных тектонистов профессор Ю. Шейнманн так формулирует задачу: «На основе предложенной Е. Артюшковым гипотезы попытаться подойти к построению единой картины истории и эволюции Земли, такой картины, которая могла бы претендовать на роль, аналогичную роли гипотезы контракции, выдвинутой более 140 лет назад Э. де Бомоном».

Е. Артюшков — физик-теоретик, окончивший Московский университет в 1961 году. Его кандидатская диссертация была посвящена теории плазмы, докторскую диссертацию он защитил уже по теории геологической эволюции Земли.

Отправная идея Е. Артюшкова очень проста.

Земной шар состоит в основном из плотного жидкого ядра и более лёгкой твёрдой мантии. Между тем первоначальная Земля была однородной по составу. Во всяком случае, к этому сегодня склоняется большинство исследователей. Газопылевое облако, вращавшееся вокруг Солнца, гигантский сгусток метеоритов — нам сейчас неважно, из чего состояла «Праземля». Важно, что она была в основном однородной. Но позже появились ядро и мантия, резко различающиеся по плотности. Как и где произошло их разделение? Какие силы совершили это?

Силы гравитации! Тяжёлые вещества стремятся опуститься в поле силы тяжести вниз, лёгкие — подняться.

Могут ли подобные перемещения происходить в мантии? Расчёты показали, что могут, но уж очень медленно. Скорость частицы не превысит 10 в минус десятой сантиметра в год. Один сантиметр — за десять миллиардов лет! Слишком высока вязкость мантии, вряд ли в ней проходило гравитационное разделение.

А в ядре? Вязкость ядра намного меньше, чем мантии. Снова расчёты, и скорость получается равной сантиметру в год и более. Этого уже вполне хватает для быстрой дифференциации. И, кроме того, в ядре достаточно высока температура, чтобы вещество плавилось — переходило из твёрдого состояния в жидкое. И нужно ещё, чтобы в жидкое состояние перешла чуть ли не половина вещества.

Нижняя мантия сложена силикатными породами. Заключённое в ней ядро — также силикатное, но силикаты находятся в нём в особом состоянии: их электроны сильно сжаты, приближены к атомному ядру, как у металлов.

Есть и другая гипотеза: о полностью железном ядре и нижней силикатной мантии. В настоящее время трудно отдать предпочтение одному из этих предположений: слишком мало данных о составе и строении глубоких недр Земли. Но для наших рассуждений и неважно, как в точности обстоят дела на глубине — в любом случае это не противоречит гипотезе Е. Артюшкова.

Допустим, что ядро сложено силикатами. На границе между ним и нижней мантией температура достигает нескольких тысяч градусов, а давление 1,5 тысячи килобар! В таких условиях легко происходят фазовые переходы: твёрдые силикаты нижней мантии переходят в жидкое состояние. Более тяжёлые компоненты тонут. Они проходят разжиженный слой, попадают в ядро и опускаются в нём до тех пор, пока не встретят равное по плотности вещество. Тут пришельцы останавливаются и постепенно уравниваются с ним во всём. Возможно, что самые «весомые» из них доходят до более тяжёлого внутреннего ядра, о существовании которого говорит ряд учёных. Лёгкие компоненты тем временем всплывают. Подъём кончается у подошвы нижней мантии. Поднимающееся вещество наталкивается на неё, как вода на запруду, и здесь скапливается.

Можно сказать, что на границе раздела ядра и нижней мантии работает своеобразный гравитационный сепаратор. Его технологический цикл: перевод твёрдого материала в жидкий, а затем разделение. Так, по мнению Е. Артюшкова, была переработана (и перерабатывается сегодня) часть объёма нижней мантии.

Из всех оболочек земного шара только нижняя мантия является однородной по составу. Не она ли представляет сейчас первичное вещество нашей планеты, вернее то, что от него осталось? Гравитационная конвекция разделила это вещество в глубинах ранней Земли. Мы видим, как она создала жидкое и тяжёлое ядро и, наверное, способствовала появлению верхней мантии и земной коры; на формирование последних пошёл тот лёгкий материал, который скапливался у подошвы нижней мантии. Но как он проник сквозь нижнюю мантию и попал в верхние сферы земного шара?

В физике известен опыт: если тонкий слой жидкого вещества снизу нагревать, а сверху охлаждать, в нём появятся конвекционные ячейки, например, шестигранники. В них будет совершаться круговорот вещества: нагретое, как более лёгкое, — наверх, более холодное — вниз. Подобный процесс, возможно, происходит и в земных глубинах.

Всплывший после разделения материал расположился прямо под нижней мантией, как более лёгкий. И выходит, что в нижней мантии в результате высокого давления возникает ситуация, о которой мы говорили выше. В нижней мантии должна начаться тепловая конвекция, должны появиться гигантские конвекционные ячейки. По их краям лёгкий материал будет подниматься наверх. Правда, говорит Е. Артюшков, возможен иной способ подъёма — «каплями», будто воздушными шарами. Но данных о нижней мантии так мало, что отдать предпочтение тому или иному виду «транспорта» пока трудно.

Пройдя нижнюю мантию, лёгкий материал доходит до верхней. Здесь он уже обязательно делится на отдельные «капли», чтобы продолжить путешествие дальше. Размер «капель» — до сотен километров. Во время пути наверх они не успели остыть и, ещё разгорячённые, попали в верхнюю мантию — словно угли, выброшенные в остывшую золу.

Но условия в верхней мантии уже другие — давление меньше, чем на той глубине, откуда поднялся материал. Точка плавления веществ ниже. И если раньше при определённой температуре они не плавились, то сейчас при тех же градусах уже не могут устоять. Происходит снова плавление и снова разделение на тяжёлые и лёгкие компоненты. И так до тех пор, пока «угли не прогорят и не обратятся в золу». Самые лёгкие компоненты смогут подняться к разделу Мохоровичича, находящемуся между корой и верхней мантией. Гравитационная конвекция производит сортировку вещества и здесь.

По подсчётам Е. Артюшкова, каждые 200 миллионов лет в верхнюю мантию внедрялось огромное количество лёгкого вещества — около 10 в двадцатой степени граммов. Из него были сформированы верхние сферы Земли.

Как видите, эта новая гипотеза унаследовала лучшее от гипотезы контракции — в один процесс объединены магматические превращения и тектонические передвижения! Поднимающийся материал по своим свойствам напоминает магму. Она внедряется в недра Земли, образуя породы и различного типа месторождения, в то же время создаёт тектонические перемещения, приподнимая и раздвигая окружающие породы.

Гипотеза Е. Артюшкова не получила ни одного возражения со стороны специалистов.

…В недавнее геологическое время мощные ледники захватили часть суши, в том числе Фенноскандию и Канаду. Под их тяжестью земная кора сначала прогнулась, а затем, когда ледник отступил, выпрямилась. Будто специально природа поставила этот грандиозный эксперимент — представился случай узнать новое о свойствах верхней мантии. Геофизики, в частности, определили вязкость верхней мантии — до 1000 километров вглубь она постоянна.

Е. Артюшков, изучая движение верхних земных слоёв под нагрузкой и без неё, обратил внимание, что вскоре после освобождения ото льда подъём на отдельных участках происходил очень быстро — со скоростью больше 10 сантиметров в год. В дальнейшем скоростные участки подстраивались под общий, гораздо более медленный подъём. Так, глубокий прогиб в центральной Фенноскандии выровнялся за какие-нибудь 700 лет. А всему понижению потребовалось 10 тысяч лет, чтобы вернуться близко к первоначальной позиции.

Гидродинамические расчёты показали, что подобная картина может наблюдаться только при одном условии: в верхней мантии должен находиться слой, в тысячу раз менее вязкий, чем окружающие его породы. Роль этого слоя, по-видимому, исполняет астеносфера, лежащая на глубине 80–200 километров. Существование такой астеносферы давно предполагают геофизики.

…Замечено, что земная кора вертикально движется на платформах со скоростью нескольких миллиметров в год, редко достигает 1 сантиметра в год. В горах скорость возрастает в несколько раз. Но в среднем за десятки миллионов лет всегда получаются всё же много меньшие значения, иногда в тысячу раз. Геологи пришли к выводу, что земная кора движется в вертикальном направлении с перерывами. Она то поднимается, то опускается через каждые 1000–10 000 лет.

Геологов это смущало — предполагаемые ими источники тектонических движений действуют в одном направлении несравненно большие сроки.

Как объясняет это затруднительное обстоятельство гипотеза Е. Артюшкова? Предположим, что снизу в астеносферу упёрся крупный блок, скажем, порция лёгкого материала из глубин. Вещество астеносферы, поскольку оно имеет пониженную вязкость, начинает растекаться в стороны. Ведь на ней лежат более плотные слои. Они также не остаются спокойными — приподнимаются, но слегка, поскольку основное усилие пришлось на астеносферу. Блок продолжает двигаться наверх с переменной скоростью (именно так происходят тектонические перемещения). Когда его движение замедлится, астеносфера начнёт медленно растекаться по сторонам, а литосфера медленнее приподниматься. Может даже случиться так, что блок будет подниматься совсем медленно, вещество астеносферы — медленно растекаться, а вспухание литосферы в этом месте прекратится. Усилие полностью погаснет в слое пониженной вязкости. Не испытывая подпора снизу, выпуклость в литосфере опадёт. Так объясняет Е. Артюшков частые смены в направлении движения земной коры.

Астеносфера — своего рода буфер в недрах Земли, она гасит мощные движения в верхней мантии. Если там перемещения достигают десятков километров, то в литосфере — это в лучшем случае один сантиметр.

В последние десятилетия было установлено: на дне океанов существуют горные системы, не менее величественные, чем на континентах. Их длина 60 тысяч километров, а по площади они занимают 30 % поверхности земного шара. Хребты проходят посредине океанов и окаймляют материки.

Срединно-океанические поднятия — одна из самых волнующих проблем современной геологии. В ней намёк для учёных: земная кора сконструирована по единому плану! Ведь подводные горы опоясывают весь земной шар.

Особую остроту придают проблеме рифты. Так называется система неглубоких и нешироких впадин, идущих по верхней части подводных хребтов — вдоль гребня и недалеко от него. Словно гигантский скребок процарапал их здесь. Причём рифтовые впадины встречены и в наземных горах. Например, в Восточной Африке, на западе Северной Америки. Байкальская котловина — тоже рифт.

Рифтовый пояс отличается также необычной активностью земных недр, расположенных под ним: всегда повышена его вулканическая, сейсмическая и тектоническая деятельность, вещество мантии здесь имеет пониженную плотность, магнитные поля аномальны, электропроводность и тепловой поток завышены по сравнению с обычными.

Происхождение рифтовых впадин — одна из главных загадок в геологии. Какой скребок так аккуратно прошёлся по верхам, почти не тронув склоны, не говоря уже о более низких местах? Вот, например, Байкальская впадина. Её средняя глубина 5 километров, средняя ширина 45 километров! Она расположена на поднятии сводового типа.

Лёгкий материал из глубин доходит до астеносферы и, подпирая её, продолжает подъём. При этом она начинает растекаться по сторонам.

Но над астеносферой лежит более вязкая земная кора. Она сдерживает движение астеносферы, не даёт ей растекаться. Особенно сильное противодействие там, где в земной коре должна появиться «шейка». Анализ показывает, что в этой точке возникают очень сильные напряжения — менее вязкий слой увлекает за собой кору. Кончается это лишь одним — разрывом.

Астеносфера получает возможность быстро разойтись по сторонам. Земная кора вновь не успевает за астеносферой. Та уже частью оттекла оттуда, где «шейка», а кора ещё и не опустилась. Она как бы теряет опору, разламывается на отдельные блоки. Между ними появляются зазоры, напряжения возрастают до 1000 кг/кв. см. И в результате — новые деформации и дополнительные разломы, которые характерны для рифтовых впадин. Вновь подтверждается не последняя роль астеносферы в формировании земной поверхности. Срединно-океанические поднятия, по мнению Е. Артюшкова, возникли благодаря лёгкому материалу, поднявшемуся из глубин. Этот материал проникал прямо под океаническую кору — на глубину 12–15 км и нагревал её. Нагрев делает вещество менее вязким, более податливым. Именно поэтому земная кора ослабевала в зоне поднятий!

О присутствии лёгкого материала сигнализирует и повышенная активность рифтовых зон. Аномалии тектонические, вулканические, магнитные — всё можно без натяжек приписать ему. А сильный тепловой поток — это прямое указание на породы, которые приходят наверх всё ещё горячими. Породы Байкальского поднятия грелись бы в приповерхностных условиях сотни миллионов лет, чтобы достичь нынешней температуры. Но возраст поднятия не более 20 миллионов лет. Выходит, не здесь они приобрели самую высокую температуру — где-то глубже…

Итак, первоначально Земля была холодной и состояла из однородного вещества. Потом в её глубинах заработал «гравитационный сепаратор». Он выделил тяжёлые вещества для ядра планеты и более лёгкий материал для верхних сфер Земли. Лёгкий материал всплыл наверх и образовал верхнюю мантию и земную кору.

Горячие «капли» лёгкого материала, попадая в верхние слои земного шара, образовали различные типы пород и руд. Они же являются и возмутителями спокойствия в земной коре, создавая тектонические перемещения. Астеносфера смягчает их воздействия на земную кору. Они же возвели срединно-океанические хребты, опоясывающие весь земной шар. Они же способствовали образованию рифтовых долин.

Похоже, идеи Е. Артюшкова способны объединить в одну теорию все особенности развития и жизни планеты Земля.