Диалоги (апрель 2003 г.)

Внутреннее строение Земли

Участники:

Олег Львович Кусков – доктор геолого-минералогических наук

Арнольд Арнольдович Кадик – доктор геолого-минералогических наук

Олег Кусков: Радиус Земли – 6370 километров.

Александр Гордон: 6370. В то время как самая глубокая скважина, человеком сделанная?..

Арнольд Кадик: Самая глубокая скважина – на Кольском полуострове, это почти что 12 километров.

А.Г. 12 километров, то есть разница космическая. К слову о космосе – мы уже привычно выходим на орбиту, готовим полёт на Марс, а это расстояния несопоставимые. Но я так понимаю, глубже, чем на 12 километров в ближайшее время нам не предстоит пробраться. Тогда встаёт вопрос: кроме умозрительных заключений о том, из чего может состоять Земля, какие есть методы исследования?

А.К. Мы можем сказать так, что есть методы теоретического моделирования, и Олегу Львовичу об этом лучше рассказать.

Есть методы, которые связаны с непосредственным изучением глубинного вещества. Это вещество, в основном в верхней мантии, – оно выносится к поверхности земли магмами и продуктами плавления земли. Наиболее распространённой магмой является базальтовая жидкость. И это не только на Земле, но и на других планетах. Это кроме плавления, которое охватывало Землю на протяжение всей её эволюции. И когда эти жидкости отделяются от субстрата, потому что нет полного плавления Земли, а есть частичное плавление, то они могут, и это мы видим по наблюдению, какую-то часть этого твёрдого субстрата выносить на поверхность земли. Это так называемые «ксенолиты», ксенолиты верхней мантии. И вот мы, изучая эти ксенолиты, их минералогический состав, химический состав, можем судить о составе верхней мантии, о содержании газов, о балансе кислорода, и решать многие другие вопросы. И в этой области сейчас наука сделала большие шаги вперёд.

Но опять получается так, что по глубине это более значительные глубины, чем прямая скважина. Плавление базальтовое – это где-то глубины 100 километров. И информацию мы получаем с этих глубин. Но есть ещё более глубинные магмы, коматиитовые жидкости, они поступают, по-видимому, из глубин 300 километров. И это предел. Всё, что дальше…

А.Г. До ядра всё равно дойти нельзя…

А.К. Да, всё, что глубже – это требует других совсем методов. Это требует методов интерпретации физических свойств, сейсмических свойств Земли. И здесь очень много сделано, вот Олег Львович, мой давнишний друг, он как раз в этой области много сделал. А дальше уже исследования идут путём сравнения.

Надо сказать, что мы прекрасно знаем, что Земля дифференцирована, то есть планета испытала сильнейшую химическую дифференциацию. У нас есть металлическое ядро, у нас есть силикатная часть, так называемая мантия, верхняя и нижняя. У нас есть кора, исходным веществом для неё служили продукты плавления мантии и подъём расплавов к поверхности Земли. И есть газовые составляющие, которые формируют оболочку. И вода формирует оболочку, атмосферу, гидросферу, океан. И здесь, конечно, есть много проблем в том, как шла эта дифференциация, каким способом, скажем, отделилось ядро…

А.Г. Давайте прежде, чем перейти к этим проблемам, которые является, в общем, смыслом нашей сегодняшней беседы, всё-таки ответим на вопрос, откуда мы знаем, что у нас есть ядро, да ещё и твёрдое? Если вы сами сказали, что максимальная глубина, с которой к нам приходит вещество – это 300 километров?

О.К. В астрономии существует такая старая шутка, что нет ничего проще устройства звезды.

В геологии, в науках о Земле нет такой шутки, потому что Земля, вроде бы, под ногами, но действительно, сказать, что там внутри – очень сложно. Такая литературная реминисценция, Жюль Верн «Путешествие к центру Земли». Он предложил прямой путь – пробурить скважину. Сейчас известно, что эта скважина – 12 километров. Это слабый укол для Земли.

Если говорить о том, как пришло в голову людям, что внутри. Вообще говоря, мы на поверхности Земли видим силикаты. Это вулканические лавы, это базальтовые излияния, но что ниже, надо было догадываться. И первая догадка была сделана всего лишь сто лет тому назад, в 1896 году. Учёный по фамилии Вихерт, основываясь на веществе метеоритов, каменных и железных метеоритов, предположил, что внутри должно находиться нечто тяжёлое, более тяжёлое, нежели силикаты.

И вот что вообще крайне любопытно, наука же, она как-то отстраивает свои концепции и то, что раньше было совершенно непонятно, потом становится очевидным. И вот по поводу метеоритов: лет где-то 200-250 тому назад французская Академия наук запретила публиковать какие-либо сообщения о падении каких-то каменных тел с неба, потому что был дан ответ, что не существует тверди небесной. А раз нет тверди небесной, значит, нет, так сказать, того материала, который мог бы падать.

Прошло сто лет, и возникла эта гипотеза, что в центре должно быть ядро, предположительно, железное. И вот потом, как сказал Арнольд Арнольдович, возникли уже новые методы. Но то была гипотеза, то было первое предположение, так сказать, некое наитие.

А.К. Олег Львович, а на основании чего первые предположения появились?

О.К. Да, первое предположение появилось уже в 20-м веке. На основании самого прямого сейсмологического метода.

А.К. Всё-таки сейсмологические методы. Просто так догадаться ведь сложно, без прямых данных.

О.К. Английский учёный Олдгем или Олдхем, находящийся в Индии, на основании записи землетрясений, зарегистрировал существование ядра. Я ещё пару слов тогда скажу, это очень важно, можно даже этот разрез дать или следующий рисунок. Земля состоит, твёрдая земля состоит, я подчёркиваю – твёрдая земля, из трех главных оболочек: кора, мантия и ядро. В этом разрезе видно, что серовато-зелёный цвет – он, наверное, должен олицетворять ядро. Но в ядре есть ещё внутреннее ядро, которое тоже было на основании данных сейсмологии предсказано. Земля – 6400, если округлять, ядро занимает более чем половину земного шара. Радиус ядра 3500 километров и радиус внутреннего ядра ещё 1000 с чем-то километров, 1200 километров.

А.Г. То есть пропорции на этой схеме указаны неверно.

– Она не в масштабе, конечно.

Итак, есть очень большое ядро, оно жидкое. Люди, когда говорят «есть ядро», вообще подразумевают всё ядро. Вот в нём жёлтая часть, это жидкое внешнее ядро. А вот то, что белым – это внутреннее твёрдое ядро. И вот очень любопытно здесь протянуть цепочку от состава ядра к составу внешних оболочек. Потому что состав атмосферы, образование гидросферы как-то связаны с образованием самого ядра, что тоже представляет загадку.

Но вот, может быть, Арнольд Арнольдович скажет сейчас о взаимосвязи этих геосфер и внешних оболочек.

А.К. Я хочу сказать, что, конечно, когда появились возможности для сейсмического исследования и определения геофизических свойств Земли, собственно, тогда и родилось полное представление об оболочках Земли. Ядро, мантия.

А.Г. Всё это из-за неравномерности прохождения волн?

А.К. Да, прохождения волн.

О.К. Они по-разному отражаются от границ.

А.К. И уже с этого момента возникла необходимость понимания того, что произошло, почему планета так разделилась. Сейчас нам, конечно, совершенно очевидно, что это очень сложный процесс и о нём можно много говорить, потому что есть разделы науки, которые специально этим занимаются.

Но в общем можно сказать, что когда формировалась Земля, то во время её образования и позднее были очень подвижные фазы. Собственно говоря, эта дифференциация, химическая дифференциация, в основном связана с тем, что были подвижные фазы. На первоначальных этапах формирования Земли металл, в расплавленном состоянии, имел возможность собираться в ядро. Хотя там есть свои проблемы, не очень понятны иногда механизмы отделения металлической фазы от силикатной, тут ещё дискуссия идёт, между прочим. Это первая подвижная фаза.

Вторая подвижная фаза, характерная и для Земли, и для других планет, – это то, что Земля плавилась. Как я говорил, базальт и магма – это 100 километров, коматииты – это 300 километров. Это главные жидкости, которые поступают на поверхность Земли. И базальт – самая главная, конечно, жидкость. И вот подъём этих жидкостей, их отделение приводило к химической дифференциации. То, что мы называем корой (это то, по чему мы ходим с вами), её формирование в основном обусловлено, конечно, тем, что когда-то плавилась мантия и этот материал поднимался. Сама кора тоже была подвержена многим процессам: воздействию океана, атмосферы, – это тоже сложные процессы. А потом оболочка гидросферы.

Третья фаза подвижная – это газ, вернее, поскольку он находился под высоком давлением, то, что мы называем флюидом. Потому что под высоким давлением летучие составляющие Земли уплотняются. В общем, похоже, так получается очень плотная среда. Вот эти три среды, они всё время двигались и разделялись.

А.Г. Простите, пожалуйста, я сразу задам вопрос на понимание. А какая энергия обеспечивала на ранних стадиях этот разогрев, плавление металлов, плавление базальтов?

А.К. Об этом можем поговорить. Само движение, конечно, связано с тем, что весь процесс проходит в гравитационном поле. И это первый фактор. Но есть и другие факторы, например, динамические процессы в Земле. Ведь долго считалось, что Земля твёрдая, и довольно долгое время так считали, хотя много лет таких представлений нет. Но во всяком случае изначально были представления, что всё твёрдо стоит. На самом деле мы знаем теперь, что твёрдое вещество конвектирует, движется, что есть такие диапиры, которые могут возникать в мантии.

И самое главное, сейчас особенно много обсуждается то, что связано как раз с ядром. Есть так называемые «горячие струи», то есть где-то на границе мантии и ядра возникает нарушение механической устойчивости и возникают такие струи, двигающиеся в глубину материала, которые достигают поверхности Земли. И вот то, что мы фиксируем в виде горячих точек на Земле, изолированный вулканизм, на дне океана, скажем, – это сейчас мыслится как движение вещества от границы ядра к поверхности Земли. И, кроме гравитационных сил появились ещё механические силы, движения вещества, крупномасштабные движения вещества. И они, конечно, тоже оказывали и оказывают влияние на химическую дифференциацию, они что-то выносят, что-то приносят. И сейчас этот механизм в центре внимания находится.

О.К. Наверное, надо добавить о магматическом океане.

А.К. Да, конечно. Я говорил о плавлении, которое проявлялось на Земле в течении длительных геологических времён, это базальтовый магматизм. Но есть представление о том, что на ранних этапах формирования Земли в силу высвобождения гравитационной энергии при формировании ядра, в силу того, что Земля подвергалась воздействию падающих метеоритных тел, происходил разогрев, подъём температуры и была стадия существенного плавления Земли. Полного или частичного – это тоже предмет дискуссии. Но, во всяком случае, жидкость появлялась.

О.К. Может быть, я на секундочку прерву. Это вообще очень сложный процесс, ведь не было никакой Земли, не было, вообще говоря, ни Венеры, ни Меркурия – ничего ж не было. Было то, что называется допланетное или протопланетное облако. В нём были две составляющие: пыль и газ. Газ диссипировал. Газ – это водород. Солнце на 99 процентов состоит из водорода. Облако тоже состояло из водорода. А то, по чему мы ходим, – железо, кремний, кальций, алюминий – это, вообще говоря, ничтожная часть от водорода, который находился в этом облаке.

Хорошо, как вот эта пылевая компонента собралась? Она собиралась постепенно из мельчайших частиц, менее, чем миллиметровых размеров, гораздо более мелких. Она стала аккумулироваться и образовывать тела значительно более крупных размеров. Это очень плохо понятные процессы. Этим занимается такая наука как «космогония».

А.Г. Понятно, когда они начались?

О.К. Да, 4 с половиной миллиарда лет тому назад. Наша Земля, метеориты и Солнце – 4.5–4.6 миллиарда лет. В это же время сформировалась Луна. То есть мы говорим с такой точностью, которая нам доступна, четыре с половиной миллиарда лет.

Потом образовались очень крупные тела, которые приводили к магматическому океану; это уже тела тысячекилометрового размера, то есть, тела лунного размера. Образовался некий крупный зародыш, который как, не знаю, как аллигатор, вычерпывал всю эту мелочь, которая была в рое допланетных тел.

Те метеориты, которые мы сейчас видим, которые падают и в настоящее время, это некое, так сказать, охвостье, которое осталось в поле астероидов и забрасывается на Землю и на другие планеты.

И вот сталкиваются два больших тела. Представим себе, что Земля первоначально была, скажем, размером с Марс (Марс по радиусу вдвое меньше Земли). И на прото-Землю размером с Марс выпадает тело, скажем, размером Луны. Происходит совершенно колоссальный взрыв, мы даже мысленно не можем представить, что это такое. Когда говорят об астероидной опасности, подразумевается, что тело размером, скажем, в поперечнике 10 километров, может снести вообще всё живое. А здесь тело размером с Луну, прото-Луна падает на прото-Землю. Происходит колоссальный разогрев. И здесь начинается образование магматического океана. Это какая-то, так сказать, каша из металла, из силикатов. Вы спросили об энергии, вот эта колоссальная энергия…

А.К. Она реализовалась таким способом.

О.К. И, конечно, Земля прогрелась очень сильно. Происходило, вероятно, катастрофическое формирование ядра. То есть эта тяжёлая железная фракция, она просто проваливалось к центру. Но ядро, ведь оно радиусом 3 с половиной тысячи километров и треть Земли по массе. Это колоссальное количество железа, железа с примесями, с кислородом, с серой, с углеродом, с водородом и так далее.

Очень важно здесь отметить одну такую особенность, что ядро не чисто железное. Метеориты тоже не бывают чисто железоникелевыми. Плотность железных фаз, померенная в лаборатории, несколько больше, нежели плотность ядра, рассчитанная через методы сейсмологии. Плотность в центре Земли – это около 13 грамм на кубический сантиметр. Плотность железа, измеренная в лаборатории, она превышает плотность центра Земли.

А.Г. Несмотря на то, что там давление колоссальное.

О.К. Это колоссальное давление, это давление трех с половиной миллионов атмосфер. И поэтому ядро нужно чем-то разбавить, каким-то лёгким легирующим компонентом. Это, ещё раз повторяю, водород, кислород, сера, кремний, углерод – не обязательно, что они там есть, я говорю о гипотезах.

А.К. Это то, что может понизить плотность.

О.К. То, что может понизить плотность и понизить температуру плавления железа. И именно с этими легирующими компонентами связаны флюиды, которые как-то тянутся от ядра и несут все эти летучие фракции, которые образуют и состав ранней атмосферы, и состав гидросферы. Не так ли?

А.К. Да. Конечно, ранние этапы формирования Земли – это вообще-то область гипотез. Просто потому что Земля в своём веществе очень мало сохранила информации о самых ранних этапах. То есть они скрыты поздними процессами. Что, скажем, происходило 3.5 миллиарда лет назад мы знаем, всё-таки что-то осталось, а более ранние этапы, они науке мало известны, потому что не сохранила природа данных.

Но, действительно, летучие компоненты земли важны для понимания гидросферы, и атмосферы, и ранней атмосферы. На ранних этапах состав этих летучих компонентов, как мы предполагаем, был тесно связан с формированием ядра. В чём дело? По-видимому, был этап – хотя это гипотеза – был этап, когда металл находился в равновесии с силикатом, ещё ядра не было. Но в присутствие металла возникает пониженная химическая активность кислорода, как бы дефицит. И при таком состоянии глубинного вещества состав газа должен быть абсолютно иным, чем тот, который мы сейчас видим. Это должен был быть водород, метан, – как мы говорим, восстановленные газы. Вот они должны были присутствовать в земле.

Но доказать это довольно трудно. Хотя мы пытаемся это сделать. Но как мы пытаемся сделать? Какие методы используем для того, чтобы понять эти процессы?

Первый путь совершенно очевиден, он связан с ксенолитами, с теми глубинами, откуда магма выносит части атмосферы.

О.К. Надо рассказать, наверное, что такое ксенолиты.

А.К. Ксенолиты – это часть глубинной породы, которую магма при своём подъёме как бы вырвала из окружающей среды и вынесла на поверхность земли. Мы эти части просто видим, в базальтовой жидкости они сохранились, мы можем их собирать. Мы можем взять эти ксенолиты, изучить химические равновесия и рассчитать, скажем, химический потенциал кислорода. Это наука и делает. Таким образом мы можем реконструировать, какой газ там был: вода, СО2 или же метан.

Кроме того, эти глубинные минералы почти что все содержат включения глубинных газов. Опять-таки – это глубина 100 километров. Мы можем этим воспользоваться. Такими методами пользуется наука.

И вот когда мы это сделали, то увидели, что в древних породах литосферы, вынесенных кимберлитовыми магмами (это такой несущий сплав, ксенолит, который содержит алмазы), мы видим довольно низкий потенциал кислорода. Довольно низкий. Причём возраст этих ксенолитов где-то 3.5 миллиарда лет.

Но всё-таки не настолько низкий, чтобы это вещество находилось в равновесии с металлом. А потом по этим же измерениям мы знаем, что потенциал кислорода, по-видимому, повышался, и в архее повышался. И вот современная мантия имеет высокий потенциал кислорода. И метан в верхних слоях мантии не устойчив. Мы не видим таких признаков. Устойчива вода, углекислота, карбонаты.

О.К. А можно какую-то аналогию провести между составом атмосферы Венеры и составом атмосферы Земли?

А.Г. Я тоже хотел об этом спросить.

А.К. Тут надо сказать так. Существует гипотеза эволюции состава газа Земли со временем, которая утверждает, что на ранних этапах был восстановленный состав газов мантии. По-видимому, на каких-то ранних этапах атмосфера тоже содержала восстановленный летучий метан. По отношению к Земле мы можем это как-то более-менее обосновывать. Но если говорить в принципе, если сравнивать одну планету с другой по изотопии, то Эрик Михайлович Галимов, который у вас делал доклад о происхождении жизни, приходит к выводу, что на Марсе тоже была восстановленная атмосфера. Но вы спрашиваете о другом: почему вода на Земле и СО2 на Венере.

А.Г. Один и тот же ли был сценарий развития событий?

О.К. Влияло ли расстояние от Солнца? Или какие-то другие процессы? Ещё тут важно магнитное поле. У Венеры нет магнитного поля, у Земли есть магнитное поле.

А.К. Вы знаете, это очень дискуссионный вопрос. Я могу свою точку зрения высказать на этот счёт. Эту концепцию, эти представления, вернее, ибо до концепции ещё далеко, я могу выразить следующим образом.

Вполне возможно, что при формировании протопланетного облака происходит так, что то вещество, из которого образовывалась Земля, в целом имело иную летучесть кислорода, чем вещество Венеры. Если мы возьмём систему, которая определяет образование главных газов, – это вода, метан, водород, и эта система будет в равновесии со свободным углеродом (а мы предполагаем, что на ранних этапах свободный углерод был), то там есть одна важная специфическая особенность термодинамики этих равновесий. Там получается так, что состав газа в этом случае будет очень сильно меняться как раз от потенциала кислорода, как мы уже говорили, от химической активности кислорода. Очень сильно. Он будет меняться от газов или флюидов, богатых СО2 до газов, богатых метаном, потом водородом.

Так вот могло получиться так, что Земля при своём формировании имела отличный потенциал кислорода, и вследствие сжатия этой газовой смеси (поскольку идёт аккреция, давление) где-то оказалось, что потенциал кислорода соответствует устойчивости воды. А на Венере это может быть СО2. И можно начать поиски в этом направлении. Но, в общем, это всё-таки пока не очень понятно.

А.Г. Это может объяснить газовый состав атмосферы Венеры. А как это объясняет тот факт, что у Венеры, судя по тому, что у неё нет магнитного поля, нет, скорее всего, и жидкой мантии, и твёрдого ядра? Если правильна гипотеза о происхождении нашего магнитного поля.

О.К. Это, конечно, один из фундаментальных вопросов. Может быть, даже, что магнитное поле земли как-то связано с происхождением жизни.

Дело в том, что мало иметь ядро. Вообще говоря, все небесные тела имеют ядра. Даже астероиды. Астероиды, самые крупные из них типа Весты, Цереры, меньше Луны, существенно меньше Луны. И, тем не менее, всё равно они имеют внутреннее железное ядро. Когда я говорю «железное», нужно всегда добавлять, что это, во-первых, железоникелевое ядро, потому что все метеориты содержат в своём составе никель. Ну, и, кроме того, обязательно должна быть какая-то лёгкая примесь элемента типа кислорода или серы. Или похожего на них. Меркурий имеет очень много железа. Средняя плотность Меркурия выше, существенно выше, чем плотность Земли. Луна имеет очень маленькое ядро. Но имеет. Если Земля, я повторю, имеет радиус ядра 3.5 тысячи километров, то радиус лунного ядра на порядок меньше, то есть 300-400 километров. Но всё равно ядро есть. Но Меркурий не имеет магнитного поля, Марс не имеет магнитного поля, или точнее говорить – имеет очень-очень слабое магнитное поле.

А.Г. Луна не имеет магнитного поля.

О.К. Не имеет – что, вообще говоря, интересно. Спутник Юпитера Ганимед, который в течение нескольких лет изучался миссией Галилео, при очень маленькой средней плотности имеет огромное жидкое ядро и обладает огромным собственным магнитным моментом. И вообще никому в голову не приходило ещё несколько лет назад, что у Ганимеда есть ядро – железное ядро, железоникелевое ядро. И его стали сравнивать с Землёй. Земля имеет не просто ядро. Вот оно, внешнее ядро. И потом внутреннее ядро. И внешнее ядро жидкое – это доказано методом сейсмологии и лабораторными экспериментами тоже. Почему оно жидкое? Потому что в жидкости модуль сдвига равен нулю. В сейсмологии изучаются как продольные волны, так и поперечные. Так вот, внешнее ядро не пропускает поперечные волны. Значит эта среда жидкая. Так же, как жидкая вода тоже не пропускает поперечные волны.

Но чтобы образовалось магнитное поле (хотя это, так сказать, не наша проблема), должно существовать ещё внутреннее ядро. И вот эти стрелочки олицетворяют собой крупномасштабное движение во внешнем ядре. То, что называется конвекцией.

Внешнее ядро образовалось, вероятно, очень быстро на ранней стадии аккреции Земли. И сейчас новейшие изотопные данные по изотопии таких элементов, как гафний и вольфрам, говорят, что это было катастрофическое событие, которое потребовало (по геологическим меркам) ничтожного времени – 50 миллионов лет на фоне 4.5 миллиардов лет. Тогда образовалось ядро как таковое. Может быть, оно сразу уже было жидким. Потому что температура плавления железа с примесями меньше, чем температура плавления силикатов.

А вот внутреннего ядра, может быть, и не было с самого начала. Земля немножечко охлаждалась, поскольку всегда идёт вынос энергии. Хотя Земля – это термостат, но поскольку существует конвекция (это очень эффективный способ теплопередачи, отвода тепла), то жидкое ядро стало охлаждаться и какая-то часть его стала кристаллизоваться. И за значительно более длительный период времени стало образовываться твёрдое ядро. Сейчас оно имеет размеры весьма приличные – это тысяча с небольшим километров. Это твёрдое ядро тоже не чисто железоникелевое. Там 2-3 процента каких-то дополнительных элемента, вот опять же типа серы.

И твёрдое ядро кристаллизуется и увеличивается в размерах, а жидкое ядро немножко уменьшается в размерах. Но на границе между этим овалом, где написано «внешнее ядро» и мантией существует слой. Это так называемый слой «Д два штриха», с которым связана масса всяких интереснейших идей. Этот слой здесь изображён такой достаточно тонкой пунктирной линией, но на самом деле его мощность – это несколько сотен километров, 200, может быть, 300 километров. И он хорошо отбивается сейсмологическими методами, как граница. Потому что плотность мантийного материала – 5.5 граммов на сантиметр кубический, а плотность на границе ядра и мантии, плотность ядра – 10, больше примерно в два раза. Поэтому сейсмология отлично ловит эту границу. И вот на этой границе (там изображён гипотетический начальный плюм) отделяется вещество, которое, возможно, является поставщиком разного рода магматических жидкостей. Правда, вообще очень плохо понятно как? Ведь мощность мантии – 2890 километров. Представляете, этот плюм должен пройти такое гигантское расстояние. Как? Арнольд Арнольдович, к вам вопрос.

А.К. Конечно, представление о существовании плюмов частично базируется и на геофизических данных, на изменении физических свойств, и по сейсмике прослеживается эта струя до существенных глубин. Иногда и до границы с ядром, но иногда нет. Это чисто динамический процесс, он моделируется теоретически. В общем, возможность подъёма горячей струи существует. И потом это выражается в виде вулканической активности, потому что вещество плюма плавится, и многие горячие точки на дне океана связаны с такими плюмами, по-видимому. Ну, есть и специфика составов магм в этом случае, больше летучих компонентов в них оказываются. Но надо сказать, что, в общем, эта проблема имеет много загадок, конечно, включая и динамику.

Но вот что ещё прямо связанное с ядром я хотел бы обсудить. Как нам быть? Я как раз сейчас хочу это сказать, как нам быть? Дело в том, что есть одна проблема, которая нам не позволяет до конца понять, как формировалось ядро. Это действительно треть Земли по массе. В чём заключается проблема? Есть элементы называемые «сидерафильными элементами», которые любят металл. Если вы приведёте металл в контакт с силикатом, то они предпочтут идти в металл. Это элементы группы железа: кобальт, никель, само железо. Такими же свойствами обладают платиноиды: платина, палладий, иридий, осьмий. Но вот, оказывается, что содержание этих элементов в породах, доступных нам, это в верхних оболочках, таково, что этих элементов слишком много для того, чтобы эти породы были в равновесии с металлом.

О.К. Это вопрос, почему они не ушли в ядро?

А.К. Ещё Рингвуд, знаменитый биохимик, где-то в 65-ом году сформулировал эту проблему избытка сидерафильных элементов. И мы до сих пор не можем выйти из этой ситуации. Конечно, для того чтобы понять, как действует температура на коэффициент распределения сидерафильных элементов между металлом и силикатом, как действует летучесть кислорода, как действует давление, было сделано много экспериментов. Была идея, что в верхней оболочке Земли давление всё-таки не очень высокое, а там, где давление миллионы атмосфер, может быть, эти коэффициенты распределения изменились. Много сделано экспериментов.

О.К. При очень высоких давлениях были сделаны такие эксперименты?

А.К. При самых высоких не было, ну, сотни килобар. И вроде бы иногда можно видеть, что сидерафильность теряется несколько. Но всё-таки такого фактора, который бы привёл металл в равновесие, не найдено до сих пор. И тогда встаёт проблема: как возникает ядро? Мгновенно ли отделилось, раньше ли отделилось, чем силикат?

А.Г. Практически возникает противоречие.

А.К. Да, противоречие. И, кроме того, кроме гипотезы о формировании ядра за короткое время, многие начинают говорить о том, что ядро формировалось более постепенно и даже испытало какое-то изменение внутренней динамики приблизительно около двух с половиной миллиардов лет тому назад. И изменение этой внутренней динамики привело к тому, что возникли дополнительные факторы химической дифференциации, поступления вещества в верхние слои. Вот как всё-таки здесь нам быть, как разобраться с этим? С сидерафильными элементами и с тем, может быть, ядро развивалось более постепенно.

О.К. Когда я начал заниматься этой проблемой (это было уже довольно давно, где-то 30 с лишним лет тому назад), этот вопрос стоял так же остро, как и сейчас.

Вообще говоря, тут, может быть, мы сделали некую методологическую ошибку. Надо было упомянуть имя Отто Юльевича Шмидта, главного редактора Энциклопедии, полярного исследователя, основателя Института физики Земли. Дело в том, что этой проблемой много людей занималось: занимались философы – Кант, занимались физики – Лаплас. Существует знаменитая гипотеза Канта-Лапласа о происхождении Солнечной системы и Земли. Но это было очень далеко.

Шмидт 50 лет тому назад, вообще говоря, сделал резкое продвижение в понимании происхождения планет. Я уже коротко сказал о предположениях о том, что Земля сформировалась как однородное тело, гомогенная аккумуляция, или гомогенная аккреция. То есть и частицы железа, и частицы силиката, хаотически сталкиваясь друг с другом в этом допланетном облаке, сформировали шар, однородный по составу. Потом, как и было сказано, за время порядка нескольких первых миллиардов лет, железо просто в силу законов Архимеда и в силу разогрева стекало вниз. Но это не нравилось многим геофизикам. И тогда была предложена другая гипотеза, тоже очень красивая, она стала называться гипотезой неоднородной аккреции, гетерогенной аккреции.

Суть её понять очень легко – сначала образовалось ядро. Железо пластично, и эти маленькие железные частички, сталкиваясь друг с другом, образовали огромное ядро, и на него уже стала налипать силикатная мантия. И это вообще было простое объяснение. Тогда не нужно было, чтобы частицы железа в готовой земле с поверхности прошли 3 тысячи километров и осели бы в центр. Это вообще до сих пор непонятно. Это толком не поддаётся ни моделированию, ни эксперименту, ни теории.

А.К. Это проблема, конечно.

А.Г. А как тогда возникло жидкое ядро?

О.К. И всё-таки от гетерогенной аккреции отказались. И снова пришли к выводу о том, о чём я уже упомянул, что всё-таки тела росли однородным образом. То есть однородным в том смысле, что железо и силикаты были перемешаны хаотически… Вот метеориты – это же разные тела, да? Есть хондриты, есть железные метеориты.

А.Г. Железных меньше.

О.К. Меньше, да. Есть ахондриты. То есть существует довольно большое количество метеоритов, каждый из них – это индивидуальное тело, оно неповторимо. И те люди, которые занимаются космохимией, теоретики, они знают, что каждый метеорит – это целый мир. Есть брекчи, есть вообще очень сложные метеориты, которые невозможно объяснить с точки зрения баланса кислорода.

Но все они в каком-то динамическом образовании: 4 с половиной миллиарда лет назад всё-таки образовали Землю, но прото-Землю. И на эту прото-Землю выпадали остатки больших тел из роя, они пробивали эту землю, пробивали очень сильно, разогревали её, и ядро стекало.

Арнольд Арнольдович, в нашем же институте вы участвуете в экспериментах как раз по проницаемости железных частиц. Может быть, об этом надо рассказать? Это один из механизмов формирования ядра, не только на первой стадии – пробивания, но и на последующей стадии.

А.К. Формирование ядра действительно ставит проблемы, которые мы не можем понять. Первое – это противоречие с избыточными сидерафильными элементами, и в экспериментах, хотя и сделанных при высоких давлениях, мы не нашли решения. Это первая проблема. Вторая проблема. Если была гомогенная аккреция, были частицы металла между силикатными компонентами, между кристаллами, то вопрос, как они потом сумели сесть?

О.К. Как они сумели через эту толщу пройти?

А.К. Вы знаете, конечно, проблему пытаются решать, но всё-таки полной ясности нет. Конечно, это будет не частица металла, а будет огромный шар, и по закону Архимеда (есть расчёты, модели такие очень ранние) такой шар, в конце концов, может провалиться. Но это должны быть очень большие тела. И трудно представить, как они образовались. Скорее всего, какой-то был металл неизвестного размера, скажем, километровые шары. Вы знаете, мы до сих пор не имеем решения. Но эксперименты по проницаемости кристаллической массы жидким металлом, которые были сделаны…

О.К. В центрифуге, да?

А.К. Да. Они показывают, что металл не садится. В нашем институте мы вместе с доктором Лебедевым делали эксперимент с использованием центрифуг. Дело в том, что мы таким способом пытались ускорить процесс. Есть процессы, где скорость будет очень медленная, и, чтобы увидеть этот процесс, вам, может быть, надо ждать 5 лет. А с центрифугой, с применением теории подобия, мы можем этот процесс ускорить. Мы изучали проницаемость для случая частично расплавленной мантии. Жидкость должна способствовать, по нашим представлениям, проницаемости силикатной каркаса, должна способствовать осаждению этих частиц.

О.К. Вот это железо не смешивается с силикатной жидкостью?

А.К. Да, не смешивается.

А.Г. А жидкость тоже находится в движении?

А.К. Конечно, и это ещё более усложняет…

О.К. Жидкость в жидкости получается, да?

А.К. Да. Понимаете, металл, он антагонист к силикатам, он совершенно не смачивается, он как ртуть. И, хотя есть каналы, это не даёт возможности ему проникнуть через эту матрицу.

И делались эксперименты при высоких давлениях без центрифуг, тоже пытались мерить, как металл смачивает при движении кристаллы. Но тоже приходится делать вывод, что когда частично расплавленный материал мантии… Почему мы рассматриваем частично расплавленный материал? Потому что полного плавления, по всем нашим химическим данным не могло быть, ну, 10 процентов, 5 процентов, а при такой степени плавления металл не садится. И это до сих пор тоже остаётся вопросом.

Но ясно совершенно, что всё-таки должен быть расплав, должна появиться смазка для металла для того, чтобы он туда проник. Какая гипотеза обсуждается? Обсуждается гипотеза такая. Мы начали говорить об океане. Это тоже гипотеза, в значительной степени все признают такое раннее плавление, когда мантия была частично расплавлена на глубину, скажем, 300 километров, может, больше даже. Ищут выход из такого положения. Когда было много расплава, не 10 процентов, а больше, металл тогда может сесть…

О.К. А в нижней мантии?

А.К. Я просто говорю, в чём противоречие. Он мог накопиться на дне.

А.Г. То есть это должен был быть тогда пояс такой…

А.К. Да. Но он может накопиться на дне и создать слой, неустойчивый с механической точки зрения.

О.К. И тогда происходит переворот.

А.К. Да, переворот. Для Луны такая же обсуждается проблема, там такая же задача…

О.К. Но там мало железа, там проще, в общем.

А.К. Может быть, надо искать ответ на этот вопрос в крупномасштабной механической неустойчивости. Слой-то образовался, а потом был неустойчив.

О.К. Вы знаете, ведь все эти проблемы поднимаются очень давно. И вот, может быть, сейчас стоит сказать, что в 1948 году советский учёный Лодочников, известный геолог, и Рамзей, это уже иностранный учёный, понимая трудности образования железного ядра, предложили принципиально другую идею: нет железного ядра в земле, нет железных ядер и в других планетах.

Они предложили идею так называемой металлизации силикатов. То есть при высоком давлении силикаты (а уже было известно, что все силикатные вещества могут претерпевать фазовые переходы под очень высоким давлением) преобразуются в очень плотный субстрат, который проводит электрический ток. Внешняя электронная оболочка сближается, и могут индуцироваться электрические токи, в том числе образуя магнитное поле.

Это была красивая идея, она объясняла состав всех планет – Меркурия, Марса, Венеры, Луны – по одному и тому же типу. Но только в Луне маленькие давления, там нет магнитного поля, там не произошла металлизация. Это была неплохая идея, но потом прямой эксперимент доказал, что невозможно при таком давлении достигнуть нужной плотности, как в центре земли. На это только железо способно, и не просто железо в обычной модификации альфа-железо, а там должна быть специальная, специфическая кристаллохимическая структура, так называемая эпсилон-железо. То есть эта гипотеза рухнула.

Вот видите, люди всё время стараются избавиться от проблемы того, как протащить эту огромную массу железа внутрь. Как её решать? Современная изотопия утверждает, что это было катастрофическое событие, и ядро возникло в момент рождения Земли.

А.К. Это то, что мы знаем.

Я хочу одну проблему обсудить, тоже связанную с ядром, очень важную для понимания концентрации кислорода в виде соединения с водородом, это вода с углеродом СО2 в верхних оболочках Земли, это где-то глубины 100 или 300, может быть, километров.

Несомненно, очень много было процессов, которые приводили к этой концентрации. Но поскольку мы сейчас обсуждаем ядро, я как раз хотел бы коснуться вопроса в этом аспекте. Это кажется странным, ядро – это восстановленное соединение (кислород, правда, может там растворяться в виде нескольких процентов при высоких давлениях). Наверху мы имеем воду и угольную кислоту. И, тем не менее, многие из нас ставят вопрос о том, что когда шло преобразование восстановленной мантии, исчезал метан и водород и формировался водород и углекислота, что это могло быть связано с комплексом процессов.

Например, предполагается, что на последних стадиях аккреции Земли углистые хондриты выпадали на поверхность, они содержат воду, СО2, углерод. И эта оболочка дала нам, собственно говоря, эти окисленные летучие компоненты. Есть и другие гипотезы, очень важные тоже и имеющие обоснование. Кроме диссипации водорода, может быть, играла какую-то роль диссипация кислорода. Сейчас экспериментаторы померили скорость диффузии водорода в кристаллах, и она действительно оказалась достаточно высокой, чтобы в короткие времена при подъёме глубинного вещества (в виде конвективного течения или струй каких-то) этот водород терялся и диссипировал. И тогда мы будем иметь накопление кислорода. Есть и другие реакции есть реакции перераспределения трехвалентного железа, это тоже может приводить к высвобождению кислорода, это недавнее открытие, для очень высоких давлений, но это отдельный вопрос.

Но вынуждены тоже рассматривать и участие ядра. И выдвигается гипотеза, о которой я хотел спросить, о том, что, может быть, на ранних этапах…