Знание-сила, 1999 № 09 – 10

А согласно расчетам российских ученых получается, что новый суперконтинент соберется уже только через 1,3 миллиарда лет. Такое сильное различие в темпах появления может быть объяснено остыванием Земли, а следовательно, и замедлением всех процессов внутри мантии, которые приводят к перемещениям континентов.

Любопытно, что только первый суперконтинент образовался ближе к полюсу Земли, да и то – к Северному. Другие же три возникли на экваторе.

Но для тех, кто доживет до срока в миллиард лет, видимо, не так уж важен будет факт нахождения на Южном полюсе и непривычной смены дня и ночи, моделях не учитывались ни реальные размеры континентов, ни фактическое распределение вещества различного состава и свойств в мантии. Поэтому было опасение, что если добавить в эту идеальную модель современные данные о строении Земли, она перестанет работать. Теперь – в результате трехлетней работы российским ученым удалось соединить в одной модели и теоретические расчеты, и фактические данные, получив результаты, которые вполне соответствуют всей совокупности имеющихся данных о строении и развитии Земли.

Главное действующее лицо в процессах, которые формируют лик Земли – мантия. О ее строении и состоянии ученые узнают по записям эхо от миллионов сейсмических волн.

Зная скорости прохождения сейсмических волн, ученые вычисляют плотность вещества Земли в разных точках, которая в свою очередь зависит от химического состава и температуры.

По мнению Валерия Трубицына, основной вклад в распределение плотностей вносит именно температура, которая и была вычислена для всей мантии Земли. Химический и минералогический состав мантии очень сложен. Но вещество мантии постоянно перемешивается конвекцией. Поэтому в первом приближении мантию можно считать химически однородной и влияние химических неоднородностей на плотность мантии учитывать лишь как поправку. (Заметим, что такой взгляд разделяется далеко не всеми учеными. Некоторые, например, считают, что различия в химическом составе вещества играют более существенную роль в формировании потоков в мантии. Впрочем, такие возражения ничуть не умаляют достоинств модели Трубицына- Рыкова. Дело в том, что на их основе нельзя создать вторую, конкурирующую модель. А то, что уже сделанную модель можно и нужно дополнять, не отрицают и сами ее авторы.)

После анализа скорости сейсмических волн были рассчитаны плотности вещества в мантии и его температуры. К ним добавляют континенты с реальными размерами и мощностями, приправляют первоклассной математикой и физикой, и все – блюдо готово. Оказалось, что большинство наблюдаемых глобальных структур и процессов на Земле можно объяснить на очень простой модели: мантия – очень вязкая горячая жидкость, подобная вару, перемешивающемуся в котле. Ее верхняя затвердевшая тонкая корочка разбита на куски – это плиты океанической литосферы, затягиваемые внутрь мантии в глубоководных впадинах. Большие толстые долгоживущие континенты, подобно айсбергам или ледоколам, плавают на мантии. Океанические плиты, примыкающие к континентам, подобны льдинам, временно примерзающим к ледоколу.

Исследование, проведенное В.Трубицыным и В.Рыковым, пока не удалось даже повторить. Вычисленное с помощью системы уравнений поведение вещества внутри мантии и согласованные с ними движения континентов по сфере на протяжении следующих полутора миллиардов лет произвело большой эффект на многих ученых, в частности на руководителей Геологической службы США. Ученые крупнейших европейских и американских научных центров говорят, что русские ученые сделали то, что в настоя шее время сделать невозможно.

Итак, есть вполне достоверная картина геологического будущего Земли. Что удивляет и поражает в ней уже сейчас?

Во-первых, точность математической модели Трубицына-Рыкова. Если вы помните, в ней изначальными параметрами были распределение температуры по глубине Земли и реальные размеры континентов, м больше нет никаких гипотез, кроме законов переноса энергии, массы и импульса.

Во-вторых, удивляет характер перемещения вещества внутри Земли. До сегодняшнего дня геохимики утверждают, что, судя по анализу пород на поверхности Земли, существуют два резервуара поступления вещества из мантии. Надо также учитывать, что перемешивание внутри мантии происходите очень медленными скоростями. А если это так, то для существования двух несмешивающихся резервуаров нужна двухслойная конвекция. Таким образом, то из одного круговорота, то из другого вещество прорывается наверх.

Однако, по данным сейсмологии, получается, что зоны столкновения литосферных плит уходят глубоко до ядра и ни о каких двух резервуарах речи идти не может. Эти глубинные разломы подобно ножу, разбивающему яйцо, нарушают двухуровневые ячейки конвекции в мантии.

Как согласовать такие разные позиции? Валерий Петрович Трубицын утверждает, что двухслойной конвекция была на начальных стадиях формирования Земли, а потом стала общемантийной. Считалось, что если существовала разогретая мантия (а Земля остыла со времени своего рождения уже примерно на 150 градусов), то и перемешивание вещества в ней происходило интенсивно и не могло быть расслоено. По расчетам Трубицына оказалось, что все наоборот – именно в горячей мантии возникает многоэтажная конвекция, а с понижением температуры мантия становилась более вязкой и в настоящий момент может перемешиваться в основном только как целое. Современного нагрева уже недостаточно для полного поддержания двухъячеистой конвекции. А на полученных учеными картах видно, что в мантии Земли сейчас в основном существует одноячеистая конвекция, перемешивающая вещество до самого ядра. Но и геохимики тоже правы! Дело в том, что сведения о двух резервуарах запечатлены в породах, которые образовались не сегодня, а значит, несут информацию о двухъячеистой конвекции, существовавшей в мантии в прошлые несколько миллиардов лет!

Почему так важен вопрос о конвекции внутри мантии? Потому что следствием той или иной схемы конвекции является перераспределение вещества с теми или иными химическими элементами. Заменив в своей модели однородное вещество жидкостью, состоящей из четырех компонентов: железа, мантийного материала, вещества коры и летучих газов, ученые теперь смогут объяснить перераспределение элементов в истории Земли.

Следующий шаг уже очевиден – более точные расчеты в будущем позволят восстановить, где в мантии возникали магматические потоки, приводящие к формированию месторождений полезных ископаемых.

Правда, по словам Валерия Трубицына, невозможно «развернуть» математические вычисления вспять. Для выяснения месторасположения континентов и потоков вещества в мантии в прошлом, а значит, и районов образования месторождений придется идти методом подбора.