Как люди открывали свою землю - Анатолий Томилин

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.

Земля, XX век — современная модель

Что же лежит в основе современных представлений о внутреннем строении Земли? Как ни странно, но эти основы можно разделить по стародавнему обычаю на три группы — три «кита». Прежде всего представление о составе нашей планеты дает лава, вылившаяся из недр через жерла вулканов и трещины. В большинстве случаев она имеет базальтовый состав. И геологи так ее и называют — базальтовая лава. Кроме того, мы доподлинно знаем о существовании больших гранитных массивов в докембрийских толщах коры.

Второй «кит» тоже «вещественный». Это прилетающие к нам из космоса метеориты. Ведь по идее они должны быть из того же первичного вещества, из которого слепился и весь земной шар.

Подавляющее большинство космических гостей состоит из плотной горной породы — темно-зеленого перидотита и из железа.

Наконец, третий «кит» — скачкообразное изменение скоростей распространения сейсмических волн внутри Земли. Оно позволяет предположить, что так же скачкообразно меняется и плотность вещества внутри нашей планеты, нарастая с глубиной.

Все это заставляет нас предположить, что внутреннее строение Земли очень сложно.

А чтобы изучать сложные объекты, в науке уже давно пользуются приближенными моделями. То есть более или менее простыми и наглядными картинами, которые примерно соответствуют имеющимся знаниям.

В геофизике под моделью Земли понимают как бы разрез нашей планеты. На нем должно быть ясно видно, как меняются такие важные свойства земных недр, как плотность, давление, скорость распространения сейсмических волн, температура, ускорение силы тяжести, электропроводность и так далее.

Считается, что первые шаги в построении реальной модели внутреннего строения нашей планеты, с учетом всей имеющейся геофизической информации, накопленной за много лет, сделали американские геофизики Адамс и Вильямсон в 1923 году. Однако сейсмологи в те годы еще не могли дать достаточно точных значений для скоростей упругих колебаний. И потому работа американцев страдала многими неточностями.

Исправить недостатки и уточнить скорости взялись два крупнейших геофизика тридцатых годов. С одним из них мы уже встречались, когда разговор шел о гипотезах происхождения Земли. Это Гарольд Джефрис, профессор Кембриджского университета в Англии. Другой — Бено Гутенберг, немецкий ученый, эмигрировавший из фашистской Германии за океан.

Целых десять лет продолжалась их работа.

Результаты, достигнутые Джефрисом и Гутенбергом, позволили австралийскому геофизику Буллену, стажировавшемуся у Джефриса, построить новую модель Земли, в которой он ввел удобное разделение на зоны.

И все-таки к началу 50-х годов классический период в геофизике, опиравшийся в основном на методы механики, закончился. В Советском Союзе и в США появились работы В. А. Магницкого и Ф. Берча, применивших для геофизических целей современные методы физики твердого тела и физики высоких давлений. Я уже рассказывал немного об их опытах и выводах. В результате была построена современная модель оболочки Земли, которая включает в себя литосферу и верхние слои мантии.