книги из ГПНТБ / Круть, И. В. Исследование оснований теоретической геологии

о таких оболочках, как «радиосфера», «инфралюменосфера», «люксосфера», «ультралюменосфера», «гаммасфера», «рентгеносфера»,. возможно также «биоэлектромагнитосфера». Собственно электри­ ческая составляющая электромагнитосферы — «электросфера» — изучена значительно хуже магнитной составляющей — магнито­ сферы; обе названные геосферы являются не элементами электромагиитосферы, а ее компонентами.

В строении электромагнитосферы можно усматривать следую­

151

оболочка пли нижняя эндоэлектромагиитосфера — возможный главвый источник индукционного электромагнитного поля всей пла­ неты; вероятно, могут быть выделены оболочки третьего по­ рядка — внутренняя (нейтральная) и внешняя (диполи) ; 2) пред­ полагаемая средняя оболочка или средняя эидоэлектромагнптосфера — магнитоиейтральна, но с переменными токами, индуци­ рованными процессами в экзоэлектромагнитосфере, возможно, со­ стоит пз оболочек третьего порядка, которые можно выделять по условпям электропроводности (ионной, электронной); 3) верх-; няя ферромагнитная оболочка — верхняя эндоэлектромагиитосфе­ ра: нижняя граница ее лежит, как правило, ниже поверхности Мохоровичича (магнитовозмущающие массы нередко ее секут), а верхняя выходит за пределы террасферы; электрическая со­ ставляющая очень сложна и изменчива и в целом заряжена от­ рицательно.

В экзоэлектромагнитосфере: 4) нижняя экзоэлектромагнптосфера — в значительной степени электронейтральная и магнптонейтральная воздушная оболочка; 5) средняя экзоэлектромагнлтосфера — переменное электромагнитное поле Земли, индуци­ руемое солнечным излучением; электрозаряжена в целом положи­ тельно; 6) верхняя экзоэлектромагнитосфера содержит магнитную плазму, состоящую из атомных ядер и электронов, и, по-види­ мому, в целом квазинейтральна.

Геомассасфера

Организация массасферы начинается с субатомных веществен­ ных уровней, начинающих прямую иерархию, идущую пз мик­

нию встречной контриерархической организации вещества, ко­ торое сводится прежде всего к выделению главных веществен­ ных геосфер в качестве подсистем массасферы на планетном уров­ не, откуда уже появляется возможность спуститься к глубоким уровням организации через рассмотрение механических (и квантово-механических) свойств массасферы и ее главных подси­ стем — оболочек. Массасфера (геосфера первого порядка) диффе­ ренцируется по агрегатному состоянию вещества на главные свои рядомположенные элементы — геосферы второго порядка — агрегатосферы, которые принадлежат к высшему геологическому или низшему планетному уровню организации вещества. Твердую обо­ лочку (собственно Землю) представляется целесообразным назы­ вать «террасферой». Специальное название необходимо потому, что термин «земля» употребляется в разных значениях: для сплошной твердой сферы планеты, для всего ее вещества и, на­ конец, для естественного объекта в целом (включая физические

152

для такой систематики имеет установление фазовых превраще­ ний (и переходов) различного рода.

Террасферу и гидросферу можно условно рассматривать вме­ сте как эндоагрегатосферу, а внешние оболочки как экзоагрегатосферу, на которой следует остановиться. Внешние агрегатные геосферы Земли — атмосфера н ионосфера — содержат вещество в газообразном фазовом состоянии и не имеют резкой границы меж­

тиц к области преимущественного распространения ионизирован­ ных частиц, т. е. относительно холодной околоземной плазмы.

Атмосфера в соответствии с фазовыми превращениями пер­

ка) : 1) тропосферу — отрицательный градиент до высоты 10—20 км, нагревается снизу, химический состав одинаков; 2) стратосферу — положительный градиент до высоты около 50 км; 3) мезосферу — отрицательный градиент до высоты 80—90 км, средний молеку­ лярный вес остается прежним; 4) термосферу — положительный градиент примерно до 500 км, нагревается от Солнца, атомар­ ный кислород является важным компонентом, увеличивается со­ держание легких газов; 5) экзосферу (метасферу, протосферу) — температура постоянна, частицы почти не соударяются, причем пекоторые из них покидают Землю. Слои ионизированного гаиа известны в атмосфере на высотах 70—90, 100—150 км п выше.

Ионосфера содержит много молекулярных ионов, главным образом закпси азота. К нижней ее части (до высоты 160 км) приурочен внутренний радиационный пояс, состоящий в основ­ ном из протонов, обладающих большой энергией. Внешний радиа­ ционный пояс образуется преимущественно энергичными электро­ нами — верхняя граница его распространяется до высоты 20 000— 30 000 км. Устанавливается также на переменном от террасферы расстоянии 40 000—90 000 км и самая внешняя зона заря­ женных частиц (электронов), которую рассматривают как резуль­ тат взаимодействия потоков солнечной плазмы с периферийными областями магнитного поля и называют переходным слоем (зоной).

Геокпазмсферы

Рассмотрение массасферы как механического тела и выделе­ ние в ней оболочек высоких порядков основывается не столько на выделении фундаментальных физических полей, сколько на изучении полей физических свойств — «квазиполей», которые мо­ гут образовывать «квазиоболочки» и «квазисферы». Квазиполя как и квазичастицы являются не вещами, а состояниями вещей. В этом смысле квазисферы не есть естественные тела Земли. Квазиполя отрая^ают физические состояния естественных тел.

154

ской и некоторых других сред имеют в масштабе земных оболо­ чек сравнительно частное значение, то важнейшими объектами геофизики являются термоквазисфера (термосфера) и сейсмоквазисфера (сейсмосфера).

При изучении физической организации террасферы геофизи­ ки, используя данные о физических свойствах ее у поверхности, экстраполируют их на глубину. При этом для давлений, дости­ гающих 4 млн. атмосфер при температурах до 10 000°, приходится оперировать предположениями об агрегатных н фазовых состоя­ ниях вещества. Так, например, говорят о слое со свойствами жидкости па глубине между 2000 и 5000 км. Существующие пред­

Геофизические построения, даже касающиеся самых верхних оболочек террасферы, при сопоставлении их с геологическими данными и при детализации геофизических исследований часто оказываются настолько спорными, что нередко складывается мне­ ние, будто центральные оболочки террасферы изучены лучше, чем внешние. Последние обычно также считаются менее однородны­ ми, что может оказаться и неверным. К наиболее глубоким недрам интерес в значительной мере остается отвлеченным, тог­ да как процессы в литосфере оказываются объектом непосред­ ственного внимания геологов, которые склонны принимать гипо­ тетические геофизические модели в качестве фактического ма­ териала для геохимических и геологических выводов.

По существу физика сложных макротел разных уровней еще не создана. Сама размерность объектов физики Земли, по-види­ мому, зависит от соотношения гравитационных и других фун­ даментальных физических взаимодействий и квантово-механиче- ских явлений. Особенно ваяшым может явиться установление

физики необходимо наведение теоретических мостов между объ­ ектами различных уровней. Пока же физика Земли и ее мак­ ротел прилагает к разнородным объектам методы, разработанные в различных областях физики, не всегда достаточно дифферен­ цируя их в зависимости от качественной сущности объектов. Физика Земли есть «геологическая» физика, геофизика. В на­ стоящее время нет иной основы для геофизических построе­ ний, чем геологические данные, которые «должны определять структуру всех геофизических построений и устанавливать гра­ ницы применимости всех теоретических моделей. ...Для осуществ­ ления 'эффективной связи между геологией и геофизикой необ­ ходимо, чтобы термины одной из них легко переводились в тер-

155

мины другой; кроме того, эти науки должны изучать соиз­ меримые явления» («Физика...», 1966, стр. 156). Уже поэтому столь важно построение сквозного понятийно-терминологического каркаса в науках о Земле.

Тепловое поле Вселенной почти не изучено. Тепловой поток •Солнца, достигающий поверхности Земли, во много раз превы­ шает собственный тепловой поток последней. Иными словами, внешние оболочки нашей планеты находятся в поле гелиотермоквазпсферы, граница которой с геотермоквазисферой проходит большей частью на глубине в несколько десятков метров под нижней границей атмосферы. Термические поля внешней геогрависферы и внешней геомагнитосферы, а также гидросфе­ ры, которая является в некотором смысле термоиейтральной и не генерирует тепла, слагают как бы промежуточные гелиогеотермические оболочки, причем океаны нагреваются сверху, а атмос­ фера снизу; таким образом, «экзотермоквазисфера» является сме­ шанной оболочкой. Эндогенное геотермическое поле — «эндотермоквазисфера» — известно по данным измерений теплового потока в близповерхностной зоне террасферы, температур лав и раство­ ров, электропроводности п генерации тепла горными породами. Известные факты не дают уверенных оснований для выделения

с точки зрения оболочечного распределения радиоактивных ис­ точников тепла; предполагается высокая их концентрация близ поверхности на континентах и распределение того же количества на большую глубину под дном океанов. Но пока термоквазисфера является не столько источником сведений о нашей Земле, сколько потребителем данных о других оболочках, что отличает ее от сейсмоквазисферы.

Различные скорости распространения упругих воли характер­ ны для разных частей всех агрегатных оболочек. Так, Б. Гутен­ берг (1964) обратил внимание на наличие каналов пониженных •скоростей не только в литосфере, но и в океане, и в атмосфе­ ре. Соответственно можно выделять эндо-, мезо- и экзосейсмоквазисферу. Плотность потока сейсмической энергий, связанной с естественными и искусственными землетрясениями, зависит от расстояния, неоднородностей среды, особенностей излучения из очага, поглощения при внутреннем трении, теплового поля, рас­ стояния на границах с различной теплопроводностью. Предпо­ лагается, что доля^ен существовать единый механизм накопле­ ния и высвобождения деформаций террасферы, а источником гло­ бальной системы сейсмической активности может быть изменение теплового поля (Магницкий, 1965).

Как подчеркивает В. А. Магницкий (см. «Структура..., 1967), сейсмическая модель изменения плотности Гутенберга — Буллена удовлетворяет наибольшему числу наблюдательных данных, но

156

3. мезо-, страто- и тропосфера

подлежит поправкам, согласно новым значениям относительного момента инерции, вычисленным по данным о движении искусст­ венных спутников. Модель с учетом этого значения лучше удов­ летворяет современным данным о собственных колебаниях Земли, но вызывает сомнение с физической точки зрения, так как тре-

157

бует, начиная с глубины 1600 км наличия огромного сверхадиа­ батического градиента температуры и удаления железа из этой зоны в значительной степени путем диффузии в ядро, что пред­ ставляется невероятным. Но если последняя модель подтвер­ дится, то возникнут большие проблемы физического и космоло­ гического порядка, так как современные взгляды не объясняют такого хода изменения плотности.

Вэидосейсмоквазисфере достаточно отчетливо выделяются три

ееэлемента — «кора», «мантия» и «ядро». По отношению к ним

зываемой оболочки) является поверхность Мохоровичича, где ско­ рость прохождения объемных волн скачкообразно увеличивается

гих границ раздела находится под сомнением; они значительно менее четки и пмеют слабые перепады скоростей.

Всейсмической коре выделяют три оболочки высокого

порядка, две нижние из которых граничат по разделу Конра­ да. Кора континентов имеет толщину от 20 до 80 км (в сред­ нем 35—40 км), причем имеется самая общая зависимость между высотами рельефа и ее толщиной. Под океанами мощность коры 5—10 км. В низах третьего слоя коры нередко выделяется слой еще более высокого порядка, в областях развития которого в океа­ нах четкой границы Мохоровичича не обнаруживается. Ввиду крайней условности вещественной интерпретации нижних слоев коры и неопределенности их выделения разумней было бы отка­ заться от распространенных, но весьма условных наименований слоев «гранитный» и «базальтовый», разделенных границей Кон­ рада. В первом пз этих слоев основные горные породы имеют весьма значительное распространение; состав второго слоя, строго говоря, неизвестен.

Устанавливается горизонтальная неоднородность в скоростях

причем прослеживается не везде, а иногда выделяется как ряд. слоев. В ядре выделяется внутреннее ядро или субъядро. Дан­ ные по твердым приливам и по свободной нутации оси враще­

что граница ядра не является фазовой, а определяется реологи­ ческими свойствами вещества Земли и частотой сейсмических волн, но эти факты не подтверждены (табл. 12).

(58

О Б Щ А Я Х И М И Ч Е С К А Я И Г Е О Л О Г И Ч Е С К А Я О Р Г А Н И З А Ц И Я З Е М Л И

Г е о ф и з и ч е с к и е и г е о л о г и ч е с к и е о б о л о ч к и

Принцип неадекватности различных пространств должен учи­ тываться при расшифровке глубинного строения Земли. В доступ­ ной непосредственному наблюдению части планетного простран­ ства мы имеем дело с атмосферой, гидросферой и литосферой, причем понятие о последней как естественном теле несколько условно, поскольку нижняя граница ее неизвестна. Литосферу геологи и геофизики обычно называют «земной корой». В верх­ ней части литосферы непосредственно устанавливаются две обо­ лочки: осадочная оболочка — стратисфера и консолидированная оболочка из кристаллических пород, нижняя граница которой неизвестна. Верхнюю часть консолидированной оболочки условно называют «гранитным слоем» и выделяют его основание по гео­ физическим данным. Нижележащий, так называемый базальто­ вый, слой оболочки устанавливается только геофизическими мето­ дами и также получил условное наименование. Если слагающие литосферу стратисфера и нижележащая консолидированная обо­ лочка являются заведомо геологическими телами, то нижележа­ щие оболочки могут считаться сейчас только геофизическими те­ лами. Земная кора в определенном смысле оказывается нейтраль­ ным понятием. Оно имеет слишком общий характер, так как земная кора в качестве геологического тела (литосферы), может прострапственио не совпадать с земной корой, установленной по геофизическим данным. Пренебрежение же этим принципиальным обстоятельством приводит к отождествлению многими специали­ стами геофизических и геологических тел и границ. Необходимо всегда учитывать двусмысленность понятия о земной коре и иметь в виду конкретные данные о том, что границы так называе­ мых гранитной и базальтовой оболочек, выделяемых геофизиче­ скими методами, нередко секут геологические макротела, фик­ сируя, например, изменения лишь их структуры (Геологическое строение..., 1965; Борисов, 1967; и др.).

Многочисленны примеры того, как сугубо гипотетические представления о глубинном строении Земли, в частности о ве­ ществе ее мантии, не только противоречат друг другу, но тяго­ теют над научной мыслью. При этом альтернативные исходные гипотезы служат основанием для далеко идущих выводов. Так, согласно распространенной точке зрения, следствия модельного эксперимента, оперирующего предполагаемым веществом мантии, истолковываются как результаты эксперимента с натуральным объектом, на основе чего делаются выводы о различном хими­ ческом составе земной коры и мантии и о выплавлении коры из мантии. Эта интерпретация служит основанием для множества других гипотетических, зачастую противоречивых построений в геологии. Но в этом случае важно не забывать, что исходные

159

положения остаются пока гипотезой, а проведенное моделирова­ ние и расчеты лишь подтверждают допустимость этой гипотезы, но не доказывают ее истинности. Существуют также и другие представления о природе геофизической границы Мохоровичича, которая может рассматриваться как поверхность изменения толь­ ко структуры, а не состава вещества.

Еще не потеряли значения следующие слова В. И. Вернад­ ского: «Едва ли можно со сколько-нибудь значительной уверен­ ностью, прп современном уровне научного знания, в геохими­ ческих научных исканиях пользоваться господствующими наши­ ми представлениями о состоянии вещества и характере химиче­ ских процессов, существующих и могущих быть ниже земной коры. В этой области идет, однако, большая научная работа, и мож­ но ждать, что, может быть, скоро наступит время, когда мы сможем твердо стать в этой области планеты. Но сейчас мы это­

мною ввиду того, что все существующие представления о ее фи- зпко-хпмическом и петрографическом характере являются явно неверными плп вызывают серьезные сомнения, как, например, «дунптовая», «перидотитовая», «эклогитовая» и т. д. (Вернад­ ский, 1965, стр. 132). Модельные представления о составе и строе­ нии Земли в прошедшие четверть века конкретизировались, ус­ ложнялись, размножались, но по степени их приближения к объ­ екту принципиально не изменились.

Химические геосферы

Как отмечалось выше, химическая организация Земли начи­ нается с физического уровня нуклоносферы. В полной же мере

На всех этих уровнях можно говорит о видовом элементном со­ ставе, о количественных соотношениях химических элементов и соединений, о формах их нахождения, превращения и миграции. Более того, проявление видов природных химических соедине­ ний означает, по существу, переход уже к геологической орга­ низации. В самых общих чертах химическая структура планеты отражает ее физические агрегатосферы, но значительно отлича­ ется от распределения фазосфер. Геохимическая картина Земли зависит как от внутренних свойств атомов и их ядер, так и от внешних физических, химических, геологических, биологических и космических факторов; безусловно, эта картина несводима к квантово-физическим закономерностям.

160