дома нескучно
Как весело и с пользой пережить самоизоляцию

Семь способов заглянуть вглубь Земли, известных науке

11 March

В 2003 году в журнале «Nature» некий автор предложил учёным взорвать ядерную бомбу, чтобы немного раздвинуть земную кору. После этого следовало опустить в образовавшуюся трещину вибрирующее устройство размером с апельсин, в которое будут встроены различные датчики. Зонд, погружаясь в расплавленную магму, через пару недель должен был достичь ядра Земли. Написано сие изыскание было не суперзлодеем, который решил поведать о своих безумных планах. Это была скорее шутка, с помощью которой иллюстрировалось, насколько трудно изучать то, что находится внутри планеты.

Ослабленные слои современной мантии.
Ослабленные слои современной мантии.

Нынешняя ситуация действительно может показаться каким-то абсурдом. Учёные видят Вселенную на миллиарды световых лет вокруг, но начинают неловко мяться, когда их спрашивают о том, что творится прямо у нас под ногами. Естественно, здесь нельзя судить настолько прямолинейно. В конце концов, космос прозрачен, а камень - нет. К тому же о строении внутренних областей Земли всё же кое-что известно.

Мы знаем, что там несколько основных слоёв: кора, а затем по две части мантии и ядра.

Можно выделить и менее заметные переходные прослойки. Чтобы узнать всё это, потребовались гениальные решения специалистов из многих научных областей и дисциплин. Сегодня мы расскажем о семи способах, с помощью которых учёные «препарируют» то небесное тело, на котором мы живём.

1. Бурение

Людям не удалось добуриться даже до мантии планеты, но это совсем не значит, что никто не пытался это сделать. В 2005 году в рамках международного эксперимента, носившего название «Комплексная программа океанического бурения» была предпринята попытка достичь границы коры и мантии. Учёные заранее выбрали тонкий участок коры на дне в северной части Атлантического океана, но попасть в него не сумели. После того как плавучая платформа просверлила более 1.4 километров, выяснилось, что нужная точка находится дальше на 300 метров.

Средне-атлантический хребет. Источник NOAA
Средне-атлантический хребет. Источник NOAA

Несмотря на неудачу, полным провалом эту попытку считать ни в коем случае нельзя. Подобные проекты помогают исследователям лучше узнавать земную кору и океанское дно, в том числе и уникальные сообщества микробов, обитающие там. От идеи завершить задуманное, кстати, никто пока не отказывался. Японские учёные сегодня изучают возможность попробовать свои силы в районе Гавайских островов.

2. Камни

Изучать горные породы и геологическую активность можно и не покидая поверхность Земли. Вулканы и линии разломов рассказывают о тектонике плит, о том, в какой части мантии находятся «горячие точки» и как формируются магматические камеры. Иногда же достаточно просто взглянуть на камни, особенно древние.

Особую ценность представляют ксенолиты - кусочки земной мантии, вынесенные на поверхность лавой.

Самым информативным и эффектным типом подобного материала являются, несомненно, алмазы. Они образуются в верхней мантии на глубине от 150 километров при очень специфических условиях. Поэтому всё, что заключено внутри алмаза или непосредственно прилегает к нему, тоже считается «доставленным» из глубин планеты.

Кроме того, ученые могут исследовать химический состав древних горных пород. Так, например, было установлено, что как минимум некоторая часть лавы - это не свежий материал, поступающий из мантии, а переработанная кора.

В 2016 году исследователи замерили соотношение изотопов магния в лаве с французского острова Мартиника. Затем они сравнили его с пропорциями, установленными при анализе других образцов материала из мантии и коры планеты.

Извержение Мартиники.
Извержение Мартиники.
Выяснилось, что концентрация магния в лаве Мартиники больше напоминает ту, что характерна именно для коры.

Учёные тогда предположили, что некоторые части поверхности со временем погружаются на глубину, где их вещество снова плавится и выносится наверх. Изучение этих механизмов может дать лучшее понимание процессов, движущих вулканами и землетрясениями.

3. Сейсмические волны

Работать лопатой, разглядывать камни, изучать вулканы - все это интересно и увлекательно, однако заглянуть в глубины планеты можно и не покидая комфорта научных лабораторий.

Например, занявшись анализом сейсмических волн.

Эти вибрации, вызывающиеся землетрясениями, проносятся по планете, как рябь по водной глади пруда. В зависимости от плотности тех или иных слоёв они отражаются, изгибаются и меняют направление своего движения. Изучая эти извилистые траектории, учёные могут делать выводы о том, что находится внизу.

Анализ сеймических волн. Источник: Global Seismic Wave Propagation . Автор: Greg Abram
Анализ сеймических волн. Источник: Global Seismic Wave Propagation . Автор: Greg Abram

Этот научный подход позволил совершить один из первых революционных прорывов в понимании недр нашей планеты.

Произошло это в 1929 году, а благодарить за него нужно Инге Леманн, сейсмолога из Дании.

В то время было известно, что у Земли есть твердые и жидкие слои, однако считалось, что ядро расплавлено. Но в этом случае сейсмические волны должны были плавно распространяться во все стороны от эпицентра землетрясения.

Леманн же заметила, что некоторая часть вибраций «отскакивает» обратно к поверхности.

Единственным объяснением этого выглядело наличие чего-то большого и непроницаемого в центре планеты. В дальнейшем её гипотеза о твердом внутреннем ядре была подтверждена. В наши дни сейсмические волны продолжают сообщать информацию о недрах Земли. В 2019 году ученые обнаружили там что-то вроде «железного снега», который выпадает из внешнего ядра во внутреннее.

4. Электромагнитные аномалии

Довольное многое, причём не только о строении Земли, могут рассказать странности, разного рода отклонения от нормы. За ними в любом случае стоят те или иные феномены, и их иногда удаётся точно установить.

Возьмём, к примеру, аномалию Брунсвика, которая проходит через Алабаму и Джорджию.

Вдоль этой линии магнитное поле Земли необычайно слабо. Чаще всего подобные отклонения объясняются составом горных пород в той или иной местности. Месторождения магнетитовой руды могут генерировать очень сильное магнитное поле. С другой стороны, слабость последнего может объясняться отсутствием металлов.

Магнитометр.
Магнитометр.

Осадочные породы, вроде песчаника, содержат относительно малое их количество, и они же могут очень многое рассказать о геологической истории планеты. Так вот, исследование, проведённое в 2014 году, показало, что аномалия Брунсвика объясняется породами, оставшимися с тех незапамятных времён, когда Северная Америка отделилась от Африки.

Аномалии встречаются и в электрической проводимости коры и верхней мантии. Магнитное поле планеты естественным образом создаёт токи, которые могут быть измерены с помощью воткнутых в землю электродов. После этого, сравнив полученные показания с колебаниями магнитного поля, можно установить электрическую проводимость пород. С помощью этого метода учёные заглядывают на сотни километров вглубь, определяя температуру и даже состав находящегося там материала. Кроме того, эта технология способна показать, сколько воды там содержится.

В результате одного из исследований выяснилось, что в мантии может быть приблизительно столько же влаги, сколько во всех океанах планеты. Она находится внутри рингвудита и других похожих минералов.

5. Лабораторные эксперименты

Предыдущие пункты рассматривали измерения тех или иных физических показателей, но определение того, о чём они могут свидетельствовать, часто опирается на теоретические модели и лабораторные эксперименты. Давление и температура среды в глубинах планеты достигают огромных значений, поэтому химические и физические процессы заметно отличаются от тех, к которым мы привыкли на поверхности.

Алмазная наковальня.
Алмазная наковальня.

Чтобы воспроизвести их, ученые используют, например, «алмазную наковальню». Она состоит из двух безупречно отшлифованных камней, установленных на поршнях. Чисто математически давление - это сила, деленная на площадь, поэтому в тот момент, когда поршни прижимают алмазы друг к другу, между их острыми концами оно достигает каких-то неимоверных значений.

Так, например, в 2009 году ученые сообщили, что им удалось подвергнуть железный сплав давлению в двести миллиардов паскалей - это чуть более половины того, которое, как считается, можно встретить во внутреннем ядре планеты!

6. Гравитационные аномалии

Это немного иронично, но иногда нужно подняться очень высоко вверх, чтобы изучить то, что находится у нас прямо под ногами. Из космоса, в частности, очень удобно следить за гравитационными аномалиями.

С 2002 по 2017 год на высоте более 500 километров над Землей летали два космических аппарата НАСА миссии «GRACE». Они создавали карту колебаний гравитационного поля. В результате получились изображения, на которых прекрасно видно, где на планете притяжение отличается особой силой, и где оно слабее обычного. Ещё со школы мы помним, что чем массивнее объект, тем сильнее его гравитация. Это означает также, что замеченные отклонения указывают на участки большей или меньшей плотности.

Гравитационные аномалии. Источник:  NASA/JPL
Гравитационные аномалии. Источник: NASA/JPL

Эта характеристика отличается соответственно для коры, мантии и ядра, поэтому исследователи на основании имеющихся данных могут выдвинуть предположения, объясняющие те или иные аномалии. Например, если они видят, что кора менее плотна, чем материал низлежащего слоя, слабая гравитация может свидетельствовать о том, что в этом месте она «засасывается» в мантию. Точность подобных измерений, кстати, может быть весьма впечатляющей. Спутники миссии «GRACE» помогли также составить карту исчезновения водоносных горизонтов и измерить скорость таяния ледяных щитов.

7. Метеориты

Наконец, очень важные подсказки могут в буквальном смысле прилетать из космоса. Метеориты - это остатки строительного материала, из которого образована значительная часть Солнечной системы. Это то же самое вещество, которое миллиарды лет назад слепилось в планеты земного типа. Изучая их, можно очень многое понять о «младенчестве» Земли и о том, как она менялась по мере своего взросления.

В 2005 году ученые с их помощью значительно сузили предполагаемый временной промежуток, во время которого наша планета обрела твердую поверхность вместо моря плещущейся лавы.

Соответствующее открытие было сделано в результате анализа соотношения одного из изотопов лютеция и гафния, в который он превращается в результате распада. Исследователи сравнили образцы из метеорита и из древней земной породы.

Оказалось, что оба химических элемента присутствовали на планете еще во времена, когда её поверхность не обросла твёрдой корой. Тот материал, из которого формировалась Земля, имел одно соотношение, а во время образования «панциря» лютеций и гафний распределились неравномерно. Этот новый баланс был навечно зафиксирован цирконом - минералом, который запечатал в себе оба элемента в соотношении, которое существовало в тот судьбоносный момент.

Сравнив эти отпечатки с метеоритным материалом, ученые определили, что кора начала затвердевать около четырех миллиардов лет назад, то есть менее чем через сто миллионов лет после рождения планеты.