Внутреннее ядро Земли действительно твердое, хотя и немного пластичное

Рис. 1. Схематическое изображение внутренних оболочек Земли: земной коры, верхней мантии, нижней мантии, внешнего ядра и внутреннего ядра. Рисунок с сайта pinterest.com

То, что ядро Земли состоит из двух слоев, вещество которых по-разному пропускает сейсмические волны, известно давно. Но если по поводу жидкой природы внешнего ядра сомнений не было, то по поводу состояния внутреннего ядра ученые-геофизики спорят уже более 80 лет. Наконец получены убедительные доказательства того, что внутреннее ядро твердое. Но не совсем: оно обладает определенными признаками пластичности.

Несмотря на технический прогресс, в обозримом будущем люди вряд ли смогут физически проникнуть в мантию Земли, а уж тем более — в ее ядро: пока удалось углубиться лишь на 12 километров в земную кору (см. Кольская сверхглубокая скважина) и этот рекорд еще долго не будет побит. Но знания о том, что представляют собой внутренние оболочки планеты, чрезвычайно важны для понимания физических процессов, определяющих развитие Земли. Для изучения глубоких недр используют геофизические методы, в первую очередь — сейсмические. Именно использование сейсмических методов, основанных на изучении скорости распространения объемных сейсмических волн в толще Земли, позволило ученым провести границы между зонами внутренних неоднородностей в теле планеты и определить, что земная толща подразделяется на верхнюю мантию, нижнюю мантию, внешнее ядро и внутреннее ядро (рис. 1).

Объемные сейсмические волны, используемые в геофизических наблюдениях, делятся на продольные P-волны, в которых упругие механические колебания совершаются вдоль направления распространения, и поперечные S-волны, в которых колебания перпендикулярны направлению распространения. Первичным источником сейсмических волн для глубинных исследований обычно служат природные землетрясения, а для фиксации отклика прошедших сквозь недра Земли волн используют сейсмографы. Любой сейсмический импульс «запускает» одновременно оба типа волн — и продольные, и сдвиговые, которые по-разному преломляются (или отражаются) на границах сред с разной плотностью. Если Р-волны проходят через любые материалы, то S-волны, которые еще называют сдвиговыми волнами (так как они являются деформациями сдвига), распространяются только в твердых телах, поскольку модуль сдвига в жидкостях и газах равен нулю.

Предположение о том, что ядро Земли неоднородно, а состоит из двух оболочек — внешней расплавленной и внутренней твердой — было высказано еще в 1936 году датским геофизиком Инге Леманн на основе анализа прохождения сквозь тело Земли сейсмических волн от крупного землетрясения в южной части Тихого океана. Последующие исследования подтвердили, что на глубине около 5100 км от поверхности Земли находится четкая граница, фиксирующаяся по преломлению и отражению продольных сейсмических волн, — она и считается разделом между внешним и внутренним ядром. Верхняя граница внешнего ядра находится на глубине около 2900 км от поверхности.

Тот факт, что сдвиговые волны практически не распространяются во внешнем ядре, свидетельствует о том, что вещество этой оболочки находится в жидком состоянии. Что касается, внутреннего ядра, то неоднозначность интерпретации сейсмических данных, связанных с ним, долгие годы служила поводом для дискуссии о том, твердое оно или нет. С одной стороны, характер преломления и отражения продольных волн от его поверхности говорили в пользу предположения о твердом внутреннем ядре. Да и при тех давлениях, которые существуют на этих глубинах (около 3,8 млн бар), вряд ли можно представить себе другое состояние вещества. Но для однозначного подтверждения этой версии нужно было зафиксировать распространение в нем сдвиговых волн, что было сделать весьма проблематично, так как волны этого типа практически не проходят через окружающую внутреннее ядро жидкую оболочку внешнего ядра.

Рис. 2. Пути волн типов PKIKP и PKJKP в недрах Земли. IC — внутреннее ядро; Outer Core — внешнее ядро; Mantle — мантия. Рисунок с сайта livescience.com

Волнам от конкретного сейсмического импульса, прошедшим сквозь различные оболочки и зафиксированным сейсмографами на выходе, присваивается определенный код, указывающий на то, какой тип волн преобладал при прохождении через ту или иную оболочку. Например, если и в мантии, и во внешнем ядре больше проявлены продольные колебания, а во внутреннем ядре колебания не фиксируются вообще, такой волне присваивается код PKIKP. Таким образом, для доказательства того, что внутреннее ядро является твердым, необходимо было уверенно зафиксировать волны типа PKJKP (рис. 2).

Ученые-геофизики из Австралийского национального университета (ANU) Хрвое Ткальчич (Hrvoje Tkalčić) и Тхань Сон Фам (Thanh-Son Pham) применили особый прием для обнаружения сверхслабых PKJKP-волн — так называемый метод корреляционных волновых полей, в основе которого лежит принцип сопоставления сигналов, поступающих на пары сейсмографов. При этом анализируются не сами поступающие сигналы, а сходство между сигналами от одного и того же сейсмического события. Сейсмограммы, полученные на различных сейсмографах, сравнивались попарно, а затем с помощью специальной программы строились так называемые глобальные коррелограммы (изображения волновых полей), покрывающие всю поверхность Земли (рис. 3).

Рис. 3. Различные типы волн, зафиксированные авторами исследования, и их геометрия. Волны типа PKJKP выделены черным пунктиром во внутреннем ядре и черными стрелками во внешнем ядре и мантии. Волны других типов показаны серым. Стрелки указывают направление распространения волн (источник расположен в правой части рисунка). R₁ и R₂ — приемные устройства. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Еще одна особенность примененного авторами подхода заключалась в преднамеренном игнорировании сильных волновых сигналов, которые обычно и являются главным предметом изучения. Понимая, что PKJKP-волны можно обнаружить только в области слабых сигналов, авторы отбрасывали первые три часа сейсмограмм, рассматривая только интервал от 3 до 10 часов после землетрясения.

Главной характеристикой сдвиговых волн, позволяющей делать вывод о состоянии среды, в которой они распространяются, является их скорость (V_s). Полученные авторами значения скоростей J-волн во внутреннем ядре (3,42 км/с на границе и 3,58 км/с в центре) подтверждают, что внутренне ядро Земли действительно твердое, но при этом не такое твердое, как считалось ранее. Полученные значения на 2,5% ниже, чем предполагается в принятой на сегодняшний день Предварительной Эталонной модели Земли (Preliminary Reference Earth Model, PREM), построенной на основе анализа собственных колебаний Земли (подробнее о собственных колебаниях планет читайте в материале Планеты на ленте сейсмометра). Это значит, что внутреннее ядро не абсолютно твердое, а обладает определенной пластичностью, как некоторые металлы — например, золото или платина. Хотя пониженные значения скоростей J-волн можно объяснить и другой причиной — наличием во внутреннем ядре небольшого количества расплава, заключенного в пространстве между кристаллами твердого вещества.

Полученные значения V_s позволяют делать определенные выводы и относительно состава внутреннего ядра. В частности, если бы внутренне ядро состояло из чистого железа или сплавов на его основе, скорости V_s были бы значительно выше тех, которые удалось зафиксировать. Наилучшим образом таким скоростям соответствует сплав железа, кремния и углерода.

Авторы считают, что, хотя до полного понимания состава внутреннего ядра и состояния вещества в нем еще очень далеко, если планомерно продолжать изучать параметры J-волн, можно будет не только ответить на эти вопросы, но и лучше понять, как наша планета сформировалась и как она эволюционировала.

Источник: Hrvoje Tkalčić, Thanh-Son Phạm. Shear properties of Earth’s inner core constrained by a detection of J waves in global correlation wavefield // Science. 2018. DOI: 10.1126/science.aau7649.

Владислав Стрекопытов