Здесь нужно снова обратиться к помощи сейсмических наблюдений. Продольные и поперечные волны свободно проходят через все оболочки Земли, заключенные между поверхностью Земли и границей ядра; следовательно, всюду здесь вещество ведет себя, как твердое. С таким выводом согласуется заключение астрономов и геофизиков, которые показали, что твердость Земли в целом близка к твердости стали. По вычислениям В. Ф. Бончковского, твердость Земли оценивается в 12 · 1011 дин на квадратный сантиметр, что в четыре раза больше твердости гранита.
Таким образом, совокупность современных данных говорит о том, что все оболочки Земли (кроме ее ядра!) должны считаться находящимися в твердом состоянии. Жидкое состояние материи можно допустить лишь для совершенно незначительных участков в толще земной коры, с которыми непосредственно связаны вулканы.
6. Движения земной коры
Всюду на поверхности Земли, в толще земной коры мы видим признаки и следы разнообразных и могучих движений, которые испытывало вещество земной коры. Эти движения, развиваясь медленно и постепенно, захватывают огромные толщи пород, распространяются на огромные территории и приводят к возникновению высоких горных цепей и глубоководных впадин, поднятий и опусканий, к возникновению бесчисленных складок и разрывов в пластах осадочных пород. Вся геологическая история есть история движений земной коры, движений крайне разнообразных по форме проявления, по ориентировке, по масштабу, но движений постоянных и повсеместных; достаточно ярким выражением таких движений могут служить современные горные цепи, представляющие нагромождение складок, созданных в прошлом и продолжающих формироваться и теперь.
Как же согласовать наше прежнее утверждение о твердости Земли с фактом подвижности земной коры, с наличием повсеместных, порою самых фантастичных по масштабу движений в толще Земли?
Движения в верхних частях коры связаны с движениями более глубоких частей коры и с движениями в веществе подкоровой оболочки. Подобные движения (они называются «тектоническими») захватывают толщу Земли на многие сотни километров вглубь и одним из доказательств их реальности служат глубокофокусные землетрясения, т. е. землетрясения с очагами, лежащими на глубинах порядка 300–600–700 километров.
Одной из отличительных черт тектонических движений служит их крайне малая скорость: 1 сантиметр в год — это для большинства мест уже много. Правда, геология располагает, как мы видели, такими запасами времени, что даже самые скромные по своему темпу движения успевают произвести грандиозный эффект.
Другим свойством тектонических движений служит их «дифференцированность», т. е. пестрота в их направлении и скорости. Именно эта дробность движений, разнообразие, различия в каждом данном пункте, приводят к чрезвычайному усложнению геологического строения. Любая геологическая карта складчатой области отражает на себе подобную «дифференцированность» тектонических движений.
Что же в конце концов получается: с одной стороны, вещество наружных оболочек — твердое, а с другой, — оно способно к перемещениям? Да, именно так, и противоречия тут нет.
Твердость, даже твердость тел кристаллического строения, отнюдь не исключает способности к перемещениям вещества внутри данного твердого тела. Кристаллы способны к деформациям без разрыва, к изгибам, измятиям, способны, в конце концов, течь — и все это в твердом состоянии, не меняя и не нарушая своей кристаллической природы, формы кристаллической решетки, даже ориентировки элементов этой решетки. Сущность этого процесса сводится к так называемым «пластическим» деформациям: в каждом кристалле можно найти такие плоскости, такие направления, смещение по которым не сопровождается разрушением кристалла, не ведет к разрыву, к появлению трещин. Можно сослаться на такие минералы, как гипс, каменная соль, слюда, турмалин, свинцовый блеск, кальцит, которые часто встречаются в изогнутом виде или с изогнутыми гранями или вообще деформированы, но, подчеркиваем, без трещин разрыва и без дробления.
Лабораторные исследования, а также наблюдения в поле показывают, что природа не знает здесь преград и как самые прочные, так и самые хрупкие кристаллы, такие, скажем, как кварц, не говоря уже о мягких, податливых минералах, дают отличные примеры пластических деформаций, порою выраженных чрезвычайно ярко (рис. 12). Можно сказать, что все кристаллы (тем самым и минералы, а следовательно, и горные породы) пластичны, т. е. обладают, в большей или меньшей степени, способностью к пластическим деформациям, и степень этой способности зависит не только от внутренних, присущих данному веществу, свойств, но и от внешних условий.
Рис. 12. Кусок горной породы (железистый кварцит) из окрестностей г. Старого Оскола с мелкими складками, дающими пример ярко выраженных пластических нарушений.
Здесь мы несколько приближаемся к решению того вопроса, который был поставлен вначале: в каком состоянии находится вещество Земли в глубине. Оказывается, высокое давление и высокая температура благоприятствуют развитию пластических деформаций. Многие кристаллы становятся пластичными только в условиях всестороннего давления, превышающего по своей величине прочность этих кристаллов; таков, например, кварц. Притом давление, именно всестороннее, играет ведущую роль, более существенную, чем температура.
Можно считать, что уже начиная с глубины в 15–20 км все породы становятся пластичными, а многие из них достигают этой способности и гораздо раньше. Подчеркнем: они становятся пластичными, но остаются твердыми. И тектонические напряжения, развивающиеся в недрах Земли, разрешаются в форме пластических смещений, повсеместных, но крайне медленных, именно тех, которые геологами и названы тектоническими.
Здесь можно несколько уточнить наши представления в отношении физических свойств вещества глубоких оболочек. Тектонические движения представляют собою пример, как мы видели, движений очень медленных, движений «длинного периода». Удары землетрясений, распространяющиеся по толще Земли с огромной скоростью и быстро затухающие, наоборот, дают пример движений резких и кратковременных, движений «короткого периода». Так вот, на воздействия короткого периода недра Земли реагируют как твердое тело; на воздействия длинного периода — как жидкое. Это можно пояснить таким примером. Возьмите лед: если бросить льдину на пол или ударить по ней молотком, то она расколется, ибо лед хрупок. Но хрупкость эта не мешает тому же льду в форме горного ледника, спускающегося с гор, спокойно и безостановочно течь, следуя всем изгибам долины, со скоростью до 2–3 метров в сутки. Ясно, что наши понятия «твердое» и «жидкое» довольно относительны.
Нам остается рассмотреть вопрос о ядре Земли. Здесь обстановка иная. Каковы бы ни были наши гипотезы о плотности вещества в ядре, температуре, давлении и т. п., один факт остается неизменным: поперечные сейсмические волны через ядро не проходят. У нас нет пока иного объяснения этому факту, кроме того, что вещество ядра находится в жидком состоянии, в жидком как по отношению к воздействиям длинного периода, так и короткого. Ведь только жидкости (и газы) не пропускают сквозь себя поперечные сейсмические волны. Правда, здесь возникает много нерешенных и неясных вопросов; не исключена возможность того, что со временем будут обнаружены признаки прохождения поперечных волн через ядро; кроме того, может оказаться, что при том колоссальном давлении и той высокой температуре, которые господствуют в ядре, наши обычные рассуждения теряют силу и нужно искать какие-то иные закономерности. Мы не будем затрагивать эти сложные и нерешенные проблемы.
7. Химический состав Земли
Мы уже коснулись немного этого вопроса. Мы видели, что земная кора состоит в основном из магматических горных пород кислого или основного состава и что ее подстилает перидотитовая оболочка ультраосновного состава. Рассмотрим этот вопрос несколько подробнее.
Среди коренных пород, выходящих на поверхность Земли, преобладают осадочные (рис. 13).
Рис. 13. Обнажение осадочных горных пород близ г. Подольска, Моск. обл.
Но по мере увеличения глубины быстро возрастает роль изверженных, или магматических, пород; можно считать, что последние составляют процентов 95 от всей массы пород, заполняющих наружные 10–15 километров толщи земной коры. Поскольку химический состав горных пород известен, тем самым известен и химический состав внешних частей земной коры. Далее положение становится менее ясным. Если наши прежние рассуждения относительно состава и глубины залегания различных слоев в земной коре — гранитного, базальтового — правильны, то можно дать цифры, характеризующие химический состав земной коры («сиаль») в целом. Результаты получаются такими: кислород — около 50 %; кремний — около 25 %; алюминий — около 7 %; железо — около 4 %; далее следуют кальций, натрий, калий, магний, а все остальные элементы — в количествах менее 1 % каждый.
