Диалоги (апрель 2003 г.) - Александр Гордон

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.