История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет - Роберт Хейзен

По-видимому, на границе ядра и мантии возможны также бассейны и лужи необычайно плотной силикатной жидкости, богатой алюминием и кальцием, а также массой «несовместимых элементов», которые вообще отсутствуют во внешних слоях Земли. Проверить это чрезвычайно трудно, но сейсмологи указывают на существование в слое D² локальных «зон низких скоростей», непосредственно над границей между мантией и ядром, где сейсмические волны распространяются со скоростью примерно на 10 % ниже, чем в области соседних плотнотельных сред. Замедление сейсмических волн – это вернейший признак жидкой среды. Эти жидкие образования и пруды жидкости подсказывают также решение частной проблемы недостающих элементов: просто нужно искать все несовместимые элементы в недосягаемом слое D², где они навечно спрятаны в этой загадочной, разнородной по составу зоне минералогического старья.

Что же представляет собой само ядро? В пору ранней юности у Земли было плотное, богатое железом ядро диаметром более 3000 км, правда, еще расплавленное (в отличие от того ядра, которое мы знаем сегодня – в виде постоянно растущего шара из твердых кристаллов железа диаметром примерно 1200 км). Температура на границе между ядром и мантией могла тогда превышать 5000 °С, при давлении миллион атмосфер.

Раскаленное ядро с самого начала (и по сей день) является довольно подвижным образованием – в нем движутся завихряющиеся потоки жидкого металла. Одним из важных последствий движения этих потоков является формирование первичного магнитного поля Земли – магнитосферы, похожей на гигантский электромагнит. Магнитные поля отклоняют электрически заряженные частицы, так что магнитосфера Земли служит невидимым щитом-отражателем, защищающим Землю от интенсивного бомбардирования солнечным ветром и космическими лучами. Возможно, этот барьер был необходимым условием для зарождения и сохранения жизни.

Ядро является также важным источником тепловой энергии, помогая поддерживать конвекцию в мантии. По сей день мантийные потоки из пластичных горных пород поднимаются из глубины более 3000 км, с границы между мантией и ядром, в вулканических горячих зонах, таких как Гавайи или в Йеллоустоун. Примечательно, что выявленные места выбросов магмы на поверхность могут предопределяться глубинной топографией. Упомянутые многокилометровые горы слоя D² могут выполнять роль своеобразных теплоизоляторов, лежащих на горячем ядре. Вполне вероятно, что в самых глубоких долинах, разделяющих эти величественные скрытые горы, теплопоток выше, что приводит к образованию известных нам вулканических горячих зон.

Базальт

По существу, эволюция минералов основывается на предопределенной последовательности формирования горных пород, где каждая последующая стадия логически вытекает из предыдущей. Образование первой перидотитовой земной коры, порожденной первичной магмой, было критически важной, но промежуточной фазой развития Земли. Окончательно охлажденная и затвердевшая, она оказалась слишком плотной и не могла сохраниться на поверхности магмы, а потому снова погрузилась в недра Земли. Для того чтобы опоясать планету, требовалась менее плотная порода. Такой породой оказался базальт.

Во всех планетах земного типа черный базальт преобладает среди близких к поверхности пород. Изрезанный шрамами от атак астероидов, верхний слой Меркурия состоит преимущественно из базальта. То же самое можно сказать о выжженной, гористой коре Венеры и выветрелой[6] красной поверхности Марса. Темные пятна на Луне («моря») контрастируют с бледно-серыми анортозитовыми нагорьями и являются не чем иным, как остатками огромных озер черного базальта; 70 % поверхности Земли, включая дно всех океанов, подстилается базальтовой корой.

Базальты состоят из разных минералов, среди которых явно выделяются два силикатных минерала. Один из таких важнейших минералов – полевой шпат плагиоклаз, между прочим, самый главный алюмосодержащий минерал на планетах земного типа и их спутниках и самый распространенный минерал в земной коре. Преподаватель MIT, профессор Дейв Воунз однажды посоветовал, если мне покажут какой-нибудь загадочный камень с целью определить, из каких минералов он состоит, смело отвечать «из плагиоклаза» – и я окажусь прав в 90 % случаев. Второй важнейший минерал в составе базальта – это пироксен, обычный силикат, входящий также и в перидотит. Пироксен входит в число самых простых минералов, которые способны вмещать всю «большую шестерку» (а также множество более редких элементов).

Чтобы понять происхождение плагиоклаза и пироксена, двух основных минералов в составе базальта, вспомните странные свойства, которыми сопровождается остывание и плавление горных пород. Четыре с половиной миллиарда лет назад, когда остывал океан магмы на Земле, первым образовался оливин, потом анортит и, наконец, в большом количестве – пироксен. В результате получился перидотит, силикат магния, который и составил большую часть верхнего слоя мантии. Большие массы перидотита погружались в магму, где снова нагревались и частично плавились.

Наше знакомство с процессом плавления подсказывает, что переход из твердого состояния в жидкое происходит при определенных температурах. Лед плавится (тает) при 0 °С, свечной воск – около 60 °С, а тяжелый свинец – при 327 °С. Однако с горными породами дело обстоит не так просто: большинство пород не имеет постоянной температуры плавления. Если нагреть перидотит свыше 1000 °C, он начнет плавиться (плавление может начаться и раньше, если в перидотите содержится много воды и углекислого газа). Состав первых микроскопических капель существенно отличается от основной массы породы. В начале плавления капли содержат гораздо больше кальция и алюминия, немного больше железа и кремния и гораздо меньше магния, чем основная порода. Первоначальные капли также отличаются гораздо меньшей плотностью. Поэтому даже 5 % расплавленного перидотита порождают в мантии большое количество магмы, которая накапливается вдоль границ минеральных блоков, заполняет трещины и карманы и поднимается к поверхности, чтобы впоследствии превратиться в базальт. За миллиарды лет существования Земли частичное плавление перидотита породило сотни миллионов кубических километров базальтовой магмы.

Расплавленный базальт поднимается к поверхности планеты двумя дополняющими друг друга путями. Один – это величественное зрелище извержения вулканов, как на Гавайях или в Исландии, когда над горой вздымаются огненные фонтаны и реки магмы стекают вниз потоками лавы. Такие драматические извержения происходят из-за содержания в породе воды и других летучих веществ, которые остаются жидкими в силикатной среде при высоких давлениях на большой глубине, но резко переходят в газообразное состояние, приближаясь к поверхности. При таких взрывах пепел и токсичные газы поднимаются вверх, достигая стратосферы, а вулканические бомбы размером с автомобиль разлетаются на километры, уничтожая все вокруг.

Слой за слоем, базальтовые лавы и пепел образуют черные горы, высотой на многие тысячи метров, покрывая тысячи квадратных километров. Такой тип потоков базальтовой лавы и вулканического пепла отличается чрезвычайно мелкозернистой структурой и обилием стекла вследствие того, что охлаждение жидкой породы происходит так быстро, что не успевают сформироваться кристаллы. В результате получается ровная, черная кора застывшей лавы. Другие характерные оливиновые базальты, возникающие, если только перидотит плавится лишь частично, на сравнительно небольших глубинах порядка 30 км, содержат небольшое количество блестящих кристаллов оливина, которые образуются еще на глубине, на первой стадии отвердения. Эти зеленые кристаллы украшают невыразительную черную породу.

Нужна огромная энергия для того, чтобы магма могла пробиться к поверхности, поэтому значительная часть базальтовой магмы никогда не поднимается на поверхность. Эти раскаленные докрасна жидкие массы застревают глубоко под поверхностью Земли, где они остывают медленнее, образуя столбчатые кристаллы полевого шпата и пироксена в составе диабаза или габбро. Иногда магма внедряется в узкие, субвертикальные трещины в массивах горных пород, образуя доскообразные заполнения с гладкой поверхностью (дайки). Если вмещающая дайку горная порода мягкая, то в результате миллионов лет эрозии может появиться длинная, прямая диабазовая стена, которая выглядит зловеще, как разрушенный археологический объект. Напротив, если магма внедряется между слоями осадочных пород, залегающими горизонтально, образуются тела, напоминающие толстое одеяло (силлы). Обрывистые скалы Палисады, которые можно наблюдать вдоль западного берега реки Гудзон чуть выше Нью-Йорка, являются как раз одной из таких базальтовых силл, которые плавно погружаются к западу, образуя параллельные возвышенности в северном Нью-Джерси и южной части штата Нью-Йорк (тут же расположены места самой дорогой недвижимости). В некоторых случаях магма охлаждается в магматических камерах неправильной формы, которые могут уходить глубоко вниз и тянуться на многие километры. Однако независимо от того, в какой геометрической форме в конце концов окажется застывшая магма, на самом деле диабаз и габбро ничем не отличаются от базальта.