Полвека назад представления ученых о внутреннем строении Земли были просты. Они полагали, что наша планета в определенной степени похожа на яйцо. Сверху находится тонкая твердая оболочка, называемая «земной корой». Непосредственно под ней, на глубине не более нескольких дюжин километров, располагается «мантия» с породой в горячем и вязком состоянии. Затем, под мантией, на глубину примерно 2900 километров, идет желток, или «ядро», состоящее из металлов, главным образом железа и никеля. Внешняя часть ядра настолько раскалена, что вещество там всегда находится в расплавленном состоянии - температура поднимается так же высоко, как на поверхности Солнца. Внутреннее ядро в центре Земли твердое вследствие гигантского давления.
Причиной подобной структуры является плотность веществ. Согласно представлениям ученых в период формирования Земли происходила дифференциация горячего полурасплавленного материала. Более тяжелые элементы, такие, как железо, опускались к центру и сформировали ядро. Более легкие элементы, например кислород и кремний, поднимались к поверхности, как пена на воде, и в конце концов достаточно охладились, чтобы затвердеть в кору.
Некоторые тяжелые элементы, например уран, несмотря на свою высокую плотность, задерживались в земной коре, поскольку они легко соединяются с кислородом, образуя оксиды, а также с кислородом и кремнием, образуя силикаты. Такие вещества называются «литофильными элементами», к их числу относится калий.
Сгустки «халькофильных элементов» — элементов, подобных цинку и свинцу, которые легко соединяются с серой и образуют сульфиды, - распределялись в мантии. Плотные капли «сидерофилов» - таких элементов, как никель и золото, легко соединяющихся с железом, - опускались к ядру.
Единственное осложнение этой картины, казалось, лежало на поверхности, где земная кора разделяется на континентальную и океаническую части. Земная кора на континентах может быть очень древней (некоторым горным породам почти четыре миллиарда лет) и весьма толстой.
Если под большой калифорнийской долиной в штате Калифорния ее толщина составляет 20 километров, то под Гималаями она достигает 90 километров. Океаническая кора, напротив, полностью слагается из молодых пород (не старше 200 миллионов лет, а некоторые из них являются принципиально новыми), и ее толщина редко превышает 10 километров.

Открытия нескольких последних десятилетий заставили ученых пересмотреть эту довольно простую картину. Задачей было заглянуть внутрь Земли. Японское судно, направленное в 2005 году, сейчас бурит самую глубокую в истории скважину в дне океана в надежде достичь мантии, но пока японцы только скребут поверхность.
Однако есть и другие способы получения информации. Астрономические расчеты, основанные на гравитации, указывают нам массу Земли и свидетельствуют, что недра нашей планеты должны быть плотнее земной коры. Метеориты несколько приоткрывают тайну состава внутренних слоев: два класса метеоритов, каменные и железные, отражают состав каменной мантии и железного ядра. Вулканы тоже выбрасывают из глубин мантии такие материалы, как оливин и эклогит. Но главную информацию лают возникающие в результате землетрясений сейсмические волны.
Долгое время после землетрясения в Земле распространяются колебания. Чувствительные сейсмографы в состоянии зафиксировать их на противоположной стороне нашей планеты. Точно так же, как вы на слух отличаете дерево от металла, если по ним постучать ложкой, так и ученые могут по сейсмическим волнам «расслышать», какова Земля внутри. Проходя через различные материалы, сейсмические волны преломляются (изгибаются), скорость их распространения тоже различна: в холодных твердых горных породах земной коры выше, чем, например, в более теплых мягких породах мантии.

 

Одно из открытий сейсмологии состоит в том, что есть другой вариант рассмотрения земной коры и верхней мантии. Если их химический состав может различаться, то «реология» у них сходна, то есть они деформируются и движутся весьма похожим образом. Быстрое распространение сейсмических волн показывает, что верхние 100 километров мантии такие же плотные, как земная кора, и верхняя мантия вместе с корой образуют твердый слой, названный литосферой. Ниже литосферы волны проходят медленнее, что свидетельствует о том, что повышение температуры размягчает вещество мантии в слой, получивший название «астеносфера». Огромные блоки литосферы - тектонические плиты - плавают по астеносфере, как куски льда по поверхности пруда.
На глубине около 220 километров давление снова заставляет мантию затвердевать в слой «мезосфера». Ниже давление вызывает у минералов одинакового химического состава фазовые изменения (подобно таянию льда) в сторону уплотнения структуры. Таким образом, на глубине больше 420 километров оливин и пироксен замещаются шпинелью и гранатом. Еще ниже, после 670 километров, увеличение давления снова изменяет структуру минералов, а, возможно, и состав, на этот раз формируются перовскиты, которые составляют основную часть мантии.

 

 

 

Через мантию сейсмические волны движутся с постоянным ускорением, а на глубине 2900 километров - в слое Гуттенберга - происходит падение скорости, отмечающее переход к ядру. Сейсмические волны некоторое время идут вдоль границы ядра и мантии. Всего за несколько сотен километров температура взлетает до 1500°С, а различие в плотности вещества мантии и ядра больше, чем у воздуха и камня.
Переходная зона в мантии к границе мантии и ядра называется слоем Д1, она привлекает большое внимание ученых. На внешней поверхности этого слоя отмечаются впадины и подъемы, лабораторные исследования показали, что они могут слагаться из редкой формы перовскита - дублированного постперовскита. В 2005 году ученые обнаружили повышение скорости ниже слоя Д1, говорящее о том, что внешняя оболочка ядра может быть фактически твердой.
Исследование всей зоны границы между мантией и ядром может иметь ключевое значение для нашего понимания причин движения континентов и извержения вулканов, поскольку эти явления, весьма вероятно, связаны с циркуляцией вещества в мантии.