Прятки под мантией
"Геофизик сделал шокирующее открытие: ядро Земли перестало вращаться, электромагнитное поле нашей планеты разрушается, и скоро Земля погибнет. Единственный способ перезапустить ядро и спасти планету заключается в том, чтобы отправиться в глубь Земли на уникальном термостойком корабле и взорвать там ядерный заряд…
Апокалиптичных сценариев такого рода у режиссёров фильмов-катастроф припасено на десятилетия вперёд. Но у нашей планеты тоже найдётся чем нас удивить. Например, до сих пор непонятно, как на Земле появились океаны. О том, как необычные свойства одного вещества помогли по-новому взглянуть на недра Земли, рассказывает доктор физико-математических наук Артём ОГАНОВ, профессор Сколтеха.
До сих пор человечеству удалось продвинуться в деле изучения глубоких недр собственной планеты совсем ненамного. Самая глубокая скважина - чуть более 12 километров. Это Кольская сверхглубокая, знаменитый и очень дорогой советский проект, его рекорд до сих пор не превзойдён. Но, учитывая, что радиус Земли почти 6400 км, эта дюжина километров, конечно, совсем мелочи. Перспектива добурить до центра Земли крайне призрачна.
О строении и составе нашей планеты мы знаем, вероятно, меньше, чем о составе и строении далёких звёзд, и на то есть причины. Судя по всему, поверхность звезды напрямую связана с её внутренними областями. Поэтому данные о размере и массе звезды, а также о температуре её поверхности могут подсказать, как эта звезда устроена и эволюционирует. А поверхность и внутренности Земли имеют совершенно разный состав, и о том, что находится в ядре Земли, по составу земной коры догадаться практически невозможно.
Если посмотреть в целом, то о глубинных областях Земли у нас есть совсем немного прямых данных. Например, рассказать о недрах могут кусочки пород, привнесённых с глубин магматическими процессами, - так называемые ксенолиты, вырванные восходящей магмой с относительно небольших глубин. Или включения в алмазах, которые образуются в мантии и во время своего роста тоже захватывают кусочки окружающей среды. Всё это даёт пусть ограниченный, но крайне ценный источник информации о глубоких слоях Земли.
Остальное - косвенные данные. Мы знаем размер Земли, её массу, а отсюда знаем среднюю плотность вещества планеты. Нам известен момент инерции Земли, который однозначно указывает на сильную концентрацию плотности в её ядре. Из этого следует, что Земля - не однородный бильярдный шар: в центре её находится что-то очень плотное. И это что-то состоит преимущественно из железа.
Из спектральных данных можно оценить распространённость элементов во Вселенной. Мы также знаем состав самых примитивных метеоритов - углистых хондритов. Это те древние кусочки вещества, из которых слепились, как снежки, будущие планеты земной группы, и потом уже в них начались процессы химической дифференциации, благодаря которым у планеты выделилось ядро. Если мысленно перемешать современную Землю в гигантском миксере, то мы получим вещество с составом того самого углистого хондрита - правда, за вычетом определённого количества летучих элементов, которые испарились в периоды сильного разогрева планеты.
Ещё один важный источник нашего знания о внутреннем устройстве Земли - это сейсмические данные. Сейсмические волны, порождённые землетрясениями или ядерными взрывами, проходят сквозь Землю и фиксируются многочисленными сейсмическими станциями на поверхности планеты. Анализируя время прохождения волн, можно определить, например, как меняется плотность породы с глубиной.
Оказалось, что Земля устроена, как луковица - у неё много оболочек, и сейсмологи до сих пор продолжают открывать новые. В 1906 году британский геолог Ричард Диксон Олдхэм выделил ядро Земли. Затем, в 1926 году геофизик Гарольд Джеффрис доказал, что ядро Земли жидкое, поскольку в нём распространяются звуковые волны только одного типа, продольные, а сдвиговые - нет. А в 1936 году сейсмолог из Дании Инге Леманн обнаружила, что внутри жидкого ядра есть твёрдое внутреннее ядро. Совсем недавно выяснилось, что и внутреннее ядро имеет сложную структуру, и она до сих пор не имеет надёжного объяснения.
Параллельно геофизики открыли и сложную структуру мантии Земли - она тоже состоит из нескольких оболочек. Эти оболочки отделяются друг от друга сейсмическими границами, на которых из-за скачкообразных изменений свойств мантии - плотности или скорости распространения волн - отражаются сейсмические волны.
Хоть и с большой погрешностью, но известна электропроводность вещества мантии и его вязкость в зависимости от глубины.
С высокой точностью известно распределение плотности земного вещества и распределение давления с глубиной. При этом мы не знаем точного распределения температур в глубинах Земли и в самых важных чертах понимаем, какое там находится вещество. Исходя из распространённости различных элементов во Вселенной и в углистых хондритах, а также зная их свойства, учёные пришли к выводу, что мантия - это силикатная порода, а ядро Земли представляет собой богатый железом сплав.
Складывается внутренне непротиворечивая и очень убедительная модель, которая признана на сегодняшний день в научном мире. И если про ядро Земли можно лишь сказать, что в нём примерно 78 атомных процентов составляет железо плюс около 7% никель, а оставшиеся 15% - пока не определённая смесь более лёгких элементов, то для всех оболочек мантии состав считается одинаковым и соответствует так называемому пиролиту, вымышленной материнской горной породе.
Считается, что те горные породы, которые мы наблюдаем в земной коре, выплавлены из пиролита. Его нет на поверхности Земли, но в недрах он практически наверняка есть.
Гораздо больше вопросов вызывает состав ядра Земли, а именно, те самые «лёгкие элементы» - сколько их и в каком соотношении они находятся? Список таких элементов более или менее понятен: кремний, сера, кислород, углерод, водород, хотя в последнее время к этому списку внезапно присоединился ещё и магний.
Как выяснилось, под давлением расплав железа может растворять огромное количество магния, а его как раз очень много в земной мантии. Правда, магний там находится в виде оксида и силикатов, которые не факт, что будут реагировать с железом. Словом, вопросов значительно больше, чем ответов.
Совсем недавно у нас с моим учеником Сяо Дуном (Xiao Dong), сейчас он профессор в Нанькайском университете в Китае, вышла статья в престижном журнале «Physical Review Letters». В этой работе мы высказываем очень простую идею, объясняющую, помимо прочего, происхождение воды на нашей планете.
Предполагается, что Земля, как и другие планеты, образовалась путём слипания частиц недифференцированного вещества, состав которого соответствовал как раз хондриту. По мере своего роста она разогревалась благодаря соударению частичек. Когда протопланета стала достаточно большой и горячей, её вещество начало химически дифференцироваться, вкрапления железа плавились и в виде капелек опускались вглубь, поскольку железо гораздо более плотное. Железо перемещалось в направлении силовых линий гравитационного поля и постепенно образовало земное ядро.
О том, сколько времени потребовалось на то, чтобы сформировать земное ядро, учёные спорили до недавнего времени. Существовали самые разные оценки, но сейчас считается, что на 90% ядро было сформировано уже через 30 млн лет после образования Земли. А дальше оно продолжало рост гораздо медленнее. 30 миллионов лет - это очень короткий промежуток времени, в геологических масштабах буквально мгновение.
Вполне возможно, что и сейчас земное ядро продолжает расти, но с пренебрежимо малой скоростью. В мантии Земли и теперь имеется примерно 1-2% самородного (чистого) железа. Выяснили это сравнительно недавно, в 2004 году, и очень удивились - ведь до этого предполагалось, что железо в мантии может быть только в окисленной форме, в виде соединений.
В то время я работал в Швейцарской высшей технической школе в Цюрихе, и мы с моим аспирантом Фейву Чжаном (Feiwu Zhang), сейчас он профессор в Институте геохимии Китайской академии наук, очень заинтересовались сообщением о самородном железе в мантии. Решили посмотреть, как ведут себя примеси железа в силикате магния - главном минерале земной мантии, - и обнаружили, что, действительно, часть железа должна существовать в нижней мантии Земли в неокисленной, самородной форме. Но сейчас, в отличие от ранних этапов истории Земли, когда её недра были более горячими, железо находится там в твёрдой (а не жидкой) фазе и опускаться в ядро в виде капелек уже не будет - можно сказать, что оно там «зависло».
А как же всё было до образования ядра? Попробуем представить себе Землю на заре её существования. Ядра ещё нет, и планета практически однородна. Давление в центре Земли составляет немногим больше 364 ГПа. Сейчас максимальное давление, которое испытывают силикаты в недрах Земли, - 136 ГПа, это давление в нижней части мантии. Но тогда не было никакой мантии и никакого ядра, а была однородная планета, и силикаты в ней находились при давлении значительно более высоком, чем сейчас, потому что могли быть ближе к центру планеты, в областях максимально высокого давления.
В наших расчётах мы решили посмотреть, что случится с «землеобразующей триадой» магний-кремний-кислород, если к ней добавить ещё водород и поместить в условия с давлением, которое наблюдается в центре Земли.
Раньше считалось, что с увеличением давления вода из магниево-силикатных пород будет обязательно уходить, как из лимона, из которого выжимают сок. Но, согласно нашим расчётам, оказалось, что при очень высоких давлениях, выше 200 ГПа (это примерно 2 млн атмосфер), должно образовываться удивительно устойчивое соединение Mg2SiO5H2, в котором воды по массе более 11%. С ростом температуры это соединение не только не теряет свою стабильность, как другие гидросиликаты, а даже становится ещё более устойчивым.
У нас тут же возникла мысль - ведь это соединение наверняка должно было присутствовать внутри ранней, безъядерной Земли! А если оно там было, то что с ним случилось дальше?
Мы знаем, что на нашей планете довольно много воды, и эта вода сыграла колоссальную роль в эволюции Земли. Без воды не было бы никакой жизни. А возможно, не было бы и тектоники плит и связанных с ней процессов - континентального дрейфа, горообразования, вулканизма и землетрясений.
Значительное количество воды, содержащейся в углистых хондритах, должно было испариться в процессе формирования (аккреции) Земли. Но, помимо этого, в первые десятки миллионов лет своего существования Земля подвергалась массированной бомбардировке астероидами, а также, как считает большинство учёных, пережила столкновение с планетой размером с Марс (её называют Тейя), в результате чего значительная часть вещества Земли расплавилась и даже испарилась - и из испарившегося и выброшенного вещества впоследствии сформировалась Луна.
При этом на несколько сот километров вещество Земли было расплавлено и должно было потерять всю воду. Так что после метеоритной бомбардировки и столкновения с Тейей вся та вода, которая ещё оставалась в верхних частях Земли после её образования, должна была безвозвратно исчезнуть.
Но ведь каким-то образом вода на поверхности Земли опять появилась! Есть гипотеза, что Земля получила свою воду, свою гидросферу - океаны, реки и моря - из комет, в которых много льда. Гипотеза красивая, но, похоже, что она несостоятельна. На это указывают данные по изотопному составу земной и кометной воды. Вода на Земле гораздо более «лёгкая», чем на кометах, где значительно выше содержание тяжёлой (дейтериевой) воды. И, стало быть, вода на Земле, скорее всего, эндогенная, то есть взялась откуда-то изнутри. Откуда же? Что за такое вещество хранило воду в начальный период истории Земли, а затем вдруг её отдало?
Вместе с коллегами из Китая мы высказали гипотезу, которая заставляет посмотреть совсем по-другому на происхождение воды на Земле. Представьте себе юную, горячую и однородную Землю, в которой ещё нет ядра. Силикатные породы в её центральной области испытывают давление гораздо большее, чем сейчас. И там в каком-то количестве будет образовываться предсказанный Сяо Дуном гидросиликат магния Mg2SiO5H2, который запасает воду. Он очень устойчив, даже если вы его сильно нагреете, он не будет выделять воду. Более того, его устойчивость от нагревания только растёт.
Но вот проходят миллионы лет и капельки расплавленного железа постепенно осаждаются в центре Земли и довольно быстро формируют ядро. По мере его роста более лёгкие силикаты оказываются вытесненными в область меньших давлений, а там гидросиликат магния уже неустойчив. И как только это вещество вытесняется из зоны своей устойчивости, оно распадается на оксид магния MgO, силикат магния MgSiO3 (а это главные минералы нижней мантии Земли) и на третий компонент - воду.
Выделившаяся вода затем просачивается вверх и размягчает мантийные породы, облегчая конвекцию мантии и создавая в ней ослабленные зоны. Этот процесс начался спустя примерно 30 млн лет с момента образования Земли, а уже через 120 млн лет на Земле появляется первый океан. Путь через мантию у воды занял не более 120 млн лет.
Любопытно, что такой кардинальный поворот в истории Земли мог быть вызван «вымершим» минералом, который в нужный момент запас в себе воду, а затем отдал её обратно и исчез.
Разумеется, для появления жизни нужны были многочисленные предпосылки: химические, климатические, физические. Например, необходимо магнитное поле, защищающее от потоков заряженных частиц - космических лучей и солнечного ветра. А для существования магнитного поля необходима конвекция электропроводящего вещества.
Ядро Земли состоит из железа, но оно там существует при таких давлениях и температурах, при которых железо немагнитно. Механизм образования магнитного поля связан с конвекцией, с вихревыми потоками в расплавленном жидком электропроводящем веществе. Если вы возьмёте, скажем, огромную ёмкость с раствором соли и будете её помешивать, вы тоже сгенерируете какое-то магнитное поле. Если ёмкость будет размером с планету, вы сгенерируете магнитное поле, по величине сопоставимое с планетными магнитными полями.
Но в Земле эту роль выполняет не чан с рассолом, а расплав железа. Его конвекция во внешнем жидком ядре очень быстрая. Однако для появления достаточно сильного магнитного поля у такой небольшой планеты, как Земля, нужно, чтобы существовало ещё и твёрдое внутреннее ядро - оно организует вихревые потоки.
При этом магнитное поле Земли может претерпевать инверсию, при которой магнитные полюса Земли меняются местами. Совсем «скоро», может быть, уже через пару тысяч лет, инверсия произойдёт в очередной раз, и в этот момент магнитное поле на короткое время станет очень слабым и защищать нас ни от каких вредных космических лучей не будет.
Что тогда случится с нами? Выживем мы или нет? Надо сказать, такие инверсии магнитного поля и периоды его ослабления Земля испытала много раз, и жизнь на планете не исчезла, и какого-то массового вымирания живых существ тоже не наблюдалось. Последняя инверсия произошла 760 тысяч лет назад, но никакого глобального вымирания не вызвала, и предки Homo Sapiens её прекрасно пережили (см. «Наука и жизнь» № 8, 2021 г., с. 74. - Прим. ред.). Видимо, для того чтобы жизнь исчезла, нужно, чтобы эти периоды длились по-настоящему долго. Мы ничего не знаем о том, что происходило с нашими далёкими предками при инверсии магнитного поля, хотя, вероятнее всего, в эти периоды они жили меньше и чаще болели.
Из нашей геохимической работы получилось одно интересное следствие для изучения условий обитаемости других планет. Представьте себе экзопланету земного типа, но большего размера - такие планеты известны за пределами Солнечной системы и их называют суперземлями. На этой планете будет гораздо большая сила тяжести, и поэтому рельеф на ней будет гораздо более плоский (вспомним, что из-за меньшей силы тяжести на маленьком Марсе гораздо более высокие горы, чем на Земле).
Расчёты показывают, что на планете земного типа любого размера будут существовать незатопленные континенты, только если воды на ней будет не более 0,2% по массе. Это важно, потому что считается, что для возникновения жизни нужен достаточно стабильный климат, а чтобы климат был стабильным, планета не может быть целиком покрыта водой - на ней должна быть и суша.
Как мы показали, в гидросиликате магния (а в недрах суперземель он стабилен за счёт более высокого давления в мантии и должен существовать неограниченно долго) можно спрятать очень большое количество воды без какого-либо риска затопить поверхность планеты. То есть область потенциальной обитаемости похожих на Землю экзопланет оказалась шире, чем считалось. Кто знает, возможно, на одной из них нас ждут братья по разуму? Кстати, наш гидросиликат магния при давлениях и температурах суперземель имеет высокую электропроводность за счёт диффузии ионов H+ и будет играть значительную роль в генерации магнитных полей этих планет.
Свойства предложенного нового химического соединения позволяют делать далеко идущие, но при этом логичные и корректные выводы о том, как зародилась наша планета, как она развивалась, каковы её строение и состав. Это увлекательное путешествие, не менее захватывающее, чем полёт в космос, и я уверен, что нам здесь предстоит открыть ещё много интересного".
Записала Наталия Лескова,
"Наука и жизнь", № 4, 2022