Огненная кровь земных недр

Еще несколько десятилетий назад большинство ученых считало, что глубокие части Земли расплавлены и лишь сверху прикрыты твердой земной корой толщиной в несколько десятков километров. Воображению геологов рисовались картины подземного огненного океана, который колеблет своими волнами земную кору.

Однако изучение путей сейсмических волн, пронизывающих Землю насквозь, показало, что на глубине не существует сплошного жидкого слоя. Наша планета ведет себя как твердое тело. Более того, ее средняя твердость превышает твердость стали. Однако твердое состояние Земли в целом не исключает наличия в ней отдельных очагов расплавления - бассейнов магмы. В масштабе всей планеты они занимают небольшие объемы и их присутствие не отражается на общей картине прохождения упругих сейсмических волн. Очаги расплавленного материала возникают при благоприятных условиях и затем исчезают.

Каков же механизм образования магмы, как происходит расплавление твердого вещества планеты на глубине? Причины образования магм в течение многих десятилетий служат предметом оживленных дискуссий. Здесь мы снова вступаем на зыбкую почву гипотез, более или менее подкрепленных фактами.

В настоящее время наиболее распространенными являются три точки зрения - три предположения. Первое из них связывает возникновение магмы с резким понижением давления в сильно нагретых глубоких горизонтах Земли. Уже на глубине 40-50 км температура вещества в недрах должна превышать температуру плавления многих магматических пород при нормальном давлении. Однако в недрах Земли вещество находится под давлением вышележащих толщ, а это, как мы уже знаем, несколько повышает температуру плавления.

Но если в земной коре образуется глубокий разлом, то вблизи него давление резко падает, перегретое вещество недр расплавляется и превращается в магму. Динамически магма всегда неустойчива и стремится переместиться в направлении меньшего давления - то есть вверх. С течением времени магматический очаг охлаждается и, наконец, снова затвердевает - отмирает. Правильность такого объяснения образования магм подтверждается постоянным присутствием магматических пород в глубоких разломах земной коры.

С. И. Субботин объясняет изменение давления на глубине действием силы тяжести и прочностью земной коры, что ведет к уплотнению вещества и полиморфным превращениям минералов с образованием более плотных разновидностей, занимающих, естественно, меньший объем. Таким путем над зоной сжатия под земной корой возникает участок пониженного давления, который как бы повисает над уплотненным участком (рис. 9). Но напряжение по краям участка все возрастает, вследствие чего возникают трещины, объединяющиеся затем в зоны разломов. Давление под земной корой резко падает, и около корней разломов образуются магматические очаги. Магма поднимается вверх, а участок земной коры, ограниченный разломами, несколько погружается. Постепенно зона пониженного давления исчезает, и магматический очаг прекращает свое существование.

Рис. 9. Схема образования очагов магмы в мантии Земли (по С. И. Субботину). 1 - гранитный слой; 2 - базальтовый слой; 3 - разломы и магматические породы; 4 - зона сниженного давления и расплавления; 5 - направления перемещения подкорового вещества из-под краев прогиба под его центральную часть; 6 - зона уплотнения; 7 - зона напряжений при переходе от нормального вещества к сжатому

Второе предположение связывает возникновение магм с местным разогревом недр Земли. Причиной этого явления может служить, например, повышенное содержание радиоактивных элементов в определенных участках земной коры. В ходе радиоактивного распада выделяется значительное количество тепла. Оно концентрируется, так как покрывающие горные породы очень плохо проводят тепло. Возникает участок перегрева вещества в недрах Земли. Однако сам по себе радиоактивный распад, по-видимому, не может привести к появлению магматического очага. Он лишь создает предпосылки для образования магмы, которая возникает при уменьшении внешнего давления в таком участке.

В последние годы было установлено, что на развитие магматической деятельности,- наряду с радиоактивностью, влияет низкая теплопроводность осадочных пород. Она в среднем составляет 0,003 кал/см • сек • градус и примерно в два-три раза меньше теплопроводности изверженных пород. Значит, покров осадочных пород, почти сплошь окутывающий более глубокие зоны земной коры, представляет собой надежный теплоизолятор. Под ним идет накопление радиогенного тепла. Предполагают, что при отсутствии такого покрова или его малой мощности магмы возникают на больших глубинах, при значительной толщине осадочной оболочки - на меньших. Некоторые ученые считают, что с накоплением осадочных пород магматические очаги приближаются к земной поверхности и переходят из мантии в земную кору.

Существует и другое объяснение явлений местного разогрева недр Земли. Вещество мантии может постепенно терять газы. Дегазация мантии приводит к образованию воды в недрах планеты путем синтеза атомов водорода и кислорода. Ученые высказывают мнение, что эта реакция имеет цепной характер, происходит со взрывом и выделением значительного количества тепла.

Третье предположение связывает появление магматических очагов с выделением сильно нагретых газов глубинного происхождения. Поднимаясь из мантии Земли, газы частью перерабатывают, частью расплавляют на своем пути твердые массы. Этот процесс, по-видимому, происходит медленно и в несколько этапов. Сначала в твердом материале возникают капельки расплава, затем его становится все больше, получается смесь расплава и обильно пропитанного им твердого материала. Количество расплава все увеличивается, и в конце концов возникает магма.

Казалось бы, все понятно, но откуда берутся «сильно нагретые газы»? Их источник - глубокие недра - нижняя часть мантии, может быть, даже ядро планеты. Они рождаются в процессе преобразования вещества глубоких геосфер. Может быть, они продукты ядерных реакций, происходящих на неведомых глубинах. Может быть, рождаются при каких-то химических реакциях. Здесь, как и раньше, мы сталкиваемся с одной из многочисленных загадок Земли.

Сравнительно простая и четкая картина возникновения магматических горных пород очень усложняется тем, что некоторые горные породы магматического облика могут возникать не только из силикатного расплава. В первую очередь это касается гранитов, широко распространенных пород гранитной оболочки земной коры. В последние десятилетия было установлено, что часть гранитных массивов как будто бы образовалась в твердом состоянии из глинистых сланцев, некоторых песчаников и конгломератов под влиянием процессов метаморфизма. От настоящих магматических гранитов эти породы отличаются отдельными признаками. Так, они не имеют четких границ с окружающими породами, а минералогический состав их и строение очень невыдержаны, в разных местах могут быть различными.

Мы кратко познакомились с современными представлениями о рождении магмы. И тут сразу же возникает вопрос: а сколько типов магмы существует? Столько же, сколько магматических пород? Конечно, нет! Типов магм гораздо меньше. Об этом свидетельствуют хотя бы массивы изверженных пород, образовавшиеся в результате одного внедрения магмы в земную кору, но тем не менее состоящие из нескольких, а иногда даже из многих пород. Возьмем для примера массив гранита около города Коростеня на Украине, изученный академиком В. С. Соболевым. Этот массив состоит более чем из десятка пород. Среди них - лабрадориты, габбронориты, габбро-монцо-ииты (с низким содержанием кремнезема), различные граниты, в том числе рапакиви и пегматиты (с большим содержанием кремнезема). В этом же массиве встречаются породы с повышенным содержанием элемента натрия; такие породы геологи называют щелочными. Разнообразие пород коростеньского массива очень велико, но все они возникли из одного магматического очага.

Огромное разнообразие магматических пород связано с тем, что магмы в процессе своей жизни претерпевают многочисленные изменения состава. Одни из этих изменений вызваны процессами, происходящими в самой магме. Это так называемая дифференциация магмы. Другие пути изменения связаны с тем, что магма не безразлична к окружающим породам: она активно вступает с ними во взаимодействие, поглощает чужеродные тела - участки вмещающих пород, отдает из себя ряд компонентов. Все это изменяет состав магмы.

Изучая распространение магматических пород, их проявления во времени и пространстве, геологи решили, что все разнообразие их, по-видимому, можно объяснить наличием трех типов магмы: кислой, основной и ультраосновной. Кислотность магмы определяется содержанием в ней кремнезема. В кислых магмах его много (более 65%), из них образуются граниты, гранодиориты и некоторые другие породы. В основных магмах содержание кремнезема составляет от 55 до 40%, наиболее распространенные основные породы - базальты. Наконец, ультраосновная магма характеризуется очень низким содержанием кремнезема - не более 40%. Из нее образуются перидотиты, дуниты и другие ультраосновные породы.

На каких же глубинах зарождаются различные типы магм? Еще недавно ученые ограничились бы расплывчатыми предположениями. А сегодня в распоряжении геологической науки уже имеются кое-какие более или менее достоверные данные. В районах действующих вулканов были проведены геофизические наблюдения, которые показали, что под влиянием поднимающейся с глубины магмы происходят сотрясения окрестностей вулканов. На вулкане Мауна-Лоа (Гавайские острова), извергающем лавы основного состава, уже дважды проводились наблюдения над изменениями глубины очагов землетрясений, вызываемых движениями магмы. В 1942 г. оказалось, что началу извержения предшествовали сотрясения на глубине 42-47 км. По всей видимости, они отвечали началу перемещения магмы. Затем глубина сотрясений начала постепенно уменьшаться, что указывало на постепенный подъем лавы по вулканическому каналу. Когда глубина сотрясений стала незначительной, началось извержение базальтовой лавы. Во время извержения 1959 г. глубина магматического очага вулкана Мауна-Лоа оказалась равной 70 км.

Очень интересные данные о глубине зарождения магмы были получены в районе Ключевского вулкана на Камчатке. Этот вулкан также извергает основную лаву. Вулканолог Г. С. Горшков изучал здесь распространение упругих сейсмических волн, возникающих при землетрясениях. При сейсмических толчках возникают два типа волн: быстрые продольные и более медленные поперечные, причем последние не проходят через жидкое вещество. Г. С. Горшкову удалось установить, что в районе Ключевского вулкана поперечные волны были задержаны на глубине около 60 км и глубже не проникли. На основании этого исследователь заключил, что магматический очаг Ключевского вулкана находится на глубине около 60 км и по форме близок к выпуклой линзе с поперечником 25-35 км. Объем очага был определен в 10-20 тыс. км3 жидкой магмы.

Приведенные цифры свидетельствуют о наличии крупных резервуаров магмы на глубине 50-70 км, то есть непосредственно под земной корой. Но магма, по-видимому, может зарождаться и на больших глубинах, а также образовывать очаги ближе к земной поверхности.

В 1963 г. было проведено геофизическое изучение Ава-чинской группы вулканов на Камчатке. Исследование производилось сейсмическими методами, с помощью искусственных взрывов; кроме того, изучалось поле тяжести в окрестностях вулканов и магнитное поле. И - удивительная вещь - оказалось, что магматический очаг Авачинской группы вулканов залегает всего на глубине 3-4 км. Подкоровое вещество проникло здесь почти к самой поверхности, до него можно «достать» буровой скважиной.

Вероятно, очаги многих вулканов залегают недалеко от поверхности Земли. И когда они затвердеют, остынут, будут вскрыты эрозией, геологи обнаружат на их месте такие же массивы изверженных пород - гранитов, диоритов, габбро, которые мы считаем «глубинными» и встречаем в любой складчатой зоне Земли.

Теоретически о глубинах появления магмы можно судить на основании изменения температуры земной коры. Этими вопросами занимается Е. А. Любимова. Исходя из средней величины повышения температуры с увеличением глубины и гипотезы О. Ю. Шмидта о первоначально холодной Земле, испытавшей радиоактивный разогрев, Е. А. Любимова считает, что под континентами на глубине 60 км температура составляет около 600°, а на глубине 100 км достигает 1250° С, Температура плавления базальта - около 1200° С; под влиянием давления вышележащих оболочек Земли она повышается. Значит, при наличии благоприятных условий образование магмы базальтового состава может происходить начиная с глубины 100-120 км. Ультраосновные магмы, по-видимому, возникают на несколько больших глубинах, порядка 150 км.

Наименее «глубинна» гранитная магма: вероятно, она образуется за счет расплавления нижних горизонтов гранитной оболочки земной коры - на глубине около 40 км и меньше.

Как долго могут существовать магматические очаги? По-видимому, это зависит от объема очага и особенностей окружающих пород. Расчеты показывают, что камера, заполненная базальтовой магмой с начальной температурой 1300° С и объемом 80 тыс. км³, может существовать более 70-80 млн. лет. За этот отрезок времени температура в камере снизится до 650-700° С, то есть основная масса базальта затвердеет.

Если исходить из гипотезы первоначально холодной Земли, то следует иметь в виду, что в истории нашей планеты был такой период, когда не происходило образования магмы. Так должно было быть на первом этапе формирования Земли, когда ее недра еще не успели достаточно разогреться в результате радиоактивного распада. Например, по расчетам Е. А. Любимовой, 3 млрд. лет назад магматической деятельности на Земле не было. Разумеется, это тоже гипотеза. Гипотеза, построенная на другой гипотезе о первоначально холодной Земле. Могло быть и иначе. Магматическая деятельность далекого прошлого - догеологического отрезка истории нашей планеты - могла быть более интенсивной, чем в последующие эпохи. Будущие поколения геологов и геофизиков, без сомнения, установят истину.

А пока можно говорить о том, что магматические очаги возникают на разных глубинах Земли при определенных благоприятных условиях; как только такие условия исчезают, очаги прекращают свое существование. Однако этим не исчерпывается жизнь магматических очагов; она гораздо сложнее. Ряд косвенных данных привел члена-корреспондента Академии наук СССР Ю. А. Билибина к интересному предположению, что очаги магмы, возникнув, не остаются на месте. Они увеличиваются в размере, разрастаются, при этом поднимаются в более высокие горизонты земной коры. Поднимаясь, магматический субстрат обогащается кремиекислотой, состав магмы становится более кислым. Более кислыми становятся и возникающие из этой магмы породы.

Но вот магматический очаг начинает угасать. Охлаждаясь, он постепенно опускается вниз. При этом магма и образующиеся из нее породы изменяют свой состав в обратном направлении - от более кислых к основным. Таким образом, даже жизнь магматического очага нельзя сводить только к образованию жидкого силикатного расплава. Возникнув, очаг магмы не остается неподвижным. По мере своего развития, он перемещается в слоистых оболочках земных недр, меняет свой состав, температуру, рождает целые семьи различных горных пород.

Огненная кровь Земли - магма - пульсирует в жилах планеты; появляясь и исчезая в разных местах, она живет своей необычно сложной, во многом еще неразгаданной жизнью. Ее загадки тесно переплетаются с иными загадками недр Земли - недр, частью и порождением которых она является.