Читать книгу Історія Землі - Роберт Гейзен - Страница 8

Первинна базальтова кора

Вік Землі: від 50 до 100 млн років

За довгу історію Земля перетерпіла чимало змін. Безсумнівно, найбільш руйнівним виявився Потужний удар, а його наслідки, очевидно, щонайбільше вплинули на процес формування Місяця. Однак такий результат – утворення величезного Місяця, що обертається довкола планети, переповненої леткими речовинами, – аж ніяк не є якимось неминучим наслідком законів фізики та хімії. Якби події під час того древнього зіткнення Землі та Тейї розгорталися дещо в інший спосіб, картина місячного формування набула б абсолютно інакшого вигляду. Якби під час удару Тейя прицілилася краще і удар був би лобовим і точно у центр, більша частина маси Тейї стала б частиною Землі. Вірогідніше за все, у нас би не було супутника, тому що Тейя та Земля об’єдналися би в масивніший безсупутниковий світ. А якби Тейя не влучила в Землю, її орбіта настільки змінилася б, що планета рушила б або до Венери, або до Марса і, вірогідно, більше ніколи не опинилась по сусідству із Землею. Якби ж зіткнення було ще більш кутовим, то розміщення розпорошених уламків призвело б до утворення безлічі менших за розміром супутників, які прикрашали б нічне небо Землі.

Випадок відіграє неабияку роль у нашому мінливому космічному сусідстві. Історія Сонячної системи – це довгий перелік ударів та промахів. Астероїд, який приклався до загибелі динозаврів, теж міг пролетіти повз, уберігши тиранозаврів та їхніх нащадків, які могли б існувати ще десятки мільйонів років. Можливо, головаті птахи розвинули б інтелект і перетворилися б на летючих майстерників. Можливо, слабосилі дрібні ссавці із тієї довготривалої мезозойської ери нічого й не досягли би. Зовсім незначна зміна приготувала б для Землі абсолютно інший шлях.

Проте дещо в космосі все ж неминуче та обумовлене. Утворення колосальної кількості протонів і електронів та відповідного числа водню і гелію було запрограмоване у всесвіті з моменту Великого вибуху. Формування зірок стало невідворотнім наслідком наявності великої кількості водню та гелію. Об’єднання решти елементів в процесі реакцій ядерного синтезу та утворення наднових так само було обумовлено формуванням багатих на водень зірок. А поява й еволюція усіляких цікавих планет, схожих на Землю, Марс, Юпітер та безліч інших типів, на орбітах далеких зірок, які зараз вдається відкрити, відбувся в результаті синтезу всіх тих хімічних елементів, про які йшлося вище.

Тож для пост-Тейїстичної Землі настав буремний час остигання та самоорганізації. Яким же був той новонароджений світ? Геологи охрестили перші 500 млн років існування Землі гадейським еоном через пекельні умови того часу[8]. Роздуми щодо цієї назви породжують вражаючу картину Землі в той час її існування: сірчані випари вулканів, ріки вогняної лави та безупинне бомбардування астероїдами і кометами безперервно руйнували поверхню планети. Втім, надзвичайно важко описати в деталях, що саме відбувалося на Землі в перші сотні мільйонів років, адже ми не маємо жодних достовірних даних.

Про походження Землі багато дізнаємося з детальних свідчень Сонячної системи – Сонця та міріад об’єктів, які пов’язані з ним силами гравітації. Десятки тисяч метеоритів дозволяють зазирнути за лаштунки процесів формування планетезималей. Особливості створення Місяця можна відшукати в місячних породах та ґрунті. Проте не збереглося нічого, що могло б розповісти нам про перші моменти існування Землі, принаймні нічого на її поверхні. Ані уламка гірської породи, ані зернини мінералу.

Варто зазначити, що такі свідчення можуть й досі існувати у вигляді метеоритів, що були викинуті з первинної поверхні Землі в час потужних зіткнень мільярди років тому, а згодом знову повернулися на Землю чи опинилися на сусідньому Місяці. Такі зразки мусять існувати, може навіть з надлишком, а деякі, певно, навіть і не змінилися з того часу. Насправді пошук цих найдавніших реліктів уважають одним з основних наукових обґрунтувань питання, чому саме необхідно продовжувати місячні експедиції. Детальні геологічні дослідження поверхні супутника можуть увінчатися знахідкою заблудного гадейського каміння, що відкриє нам правду про неприступне минуле Землі.

Але якою б чудовою не видавалася перспектива потримати в руках уламок першої затверділої породи з поверхні Землі, ми не зовсім вже в безвиході. На Землі відбуваються все нові й нові зміни, але закони хімії та фізики непорушні. Чотири з половиною мільярда років тому ці закони хімії та фізики панували так само, як і завжди, й не змінять їх ані потужні удари, ані ще якісь клопоти планетного масштабу.

Неминучість взаємодії елементів

Еволюція Землі на початках її існування стала наслідком двох взаємопов’язаних хімічних реалій: космохімії (утворення елементів) та петрохімії (утворення гірських порід). Космохімія «розпочала» зіркове виробництво, в процесі якого сформувались усі важкі елементи: уся періодична таблиця після водню та гелію, які є першим та другим елементами в першому ряді. В нашому всесвіті деяким із цих елементів судилося стати найпоширенішими: кисень, кремній, алюміній, магній, кальцій та залізо значно переважають усі інші важкі елементи, зокрема на скелястих планетах земної групи. Ці шість елементів складають 98 % маси Землі, а також Місяця, Меркурія, Венери та Марса.

Кожен із цих елементів великої шістки має свою прикметну хімічну історію. Кожен у свій власний спосіб долучився до формування Землі, неминуче створивши її такою, якою вона постала після Потужного удару. Хімічний зв’язок – ось ключ до всього. Пригадайте, атоми приєднуються один до одного, коли їхні нечіткі електронні хмари перемішуються, утворюючи стійкіші групування, зокрема сполуки з магічними числами із двох, десяти чи вісімнадцяти електронів. Щоб таке усуспільнення відбулося, одні атоми зі сполуки мають віддати свої електрони, а інші – прийняти їх.

Кисень – це король серед земних акцепторів електронів. Кожний атом кисню має в ядрі вісім позитивно заряджених протонів, які компенсують вісім негативно заряджених електронів. Проте кисень завжди шукає два додаткових електрони, щоб утворите магічне число з десяти електронів. Така жага безупинного приєднання перетворює кисень на найбільш хімічноактивний, корозійнонебезпечний елемент у природі. Малоприємний факт.

Для більшості з нас кисень найперше є невід’ємною частиною атмосфери (десь 21 %, що підтримує наше життя). Проте ці сприятливі зміни атмосфери відбулися відносно нещодавно. Протягом щонайменше перших двох мільярдів років атмосфера на Землі була повністю позбавлена кисню. Навіть сьогодні майже весь кисень, що є на Землі – його 99,9999 %, – прихований у гірських породах та мінералах. Коли ви сходите на величну скелясту гору або ж мандруєте скелястим мисом, де звідусіль віють вітри, більшість атомів у вас під ногами – це кисень. Коли ви лежите на піщаному пляжі, майже два з трьох атомів, що тримають вагу вашого тіла, – це теж кисень.

Для того щоб кисень виконував таку важливу хімічну роль акцептора електронів, мають існувати багато інших атомів, що готові віддати чи поділитися своїми електронами з ним. Найпродуктивнішим донором електронів є кремній, кількість якого становить майже четверту частину від усіх електронів в земній корі та мантії. В ядрі кремнію чотирнадцять позитивно заряджених протонів, які компенсують чотирнадцять негативно заряджених електронів. Зазвичай кремній віддає чотири електрони, щоб у нього залишилося магічне число у десять електронів, і в такий спосіб трансформується в іон кремнію з позитивним електричним зарядом. У земній корі та мантії ці чотири «зайві» електрони майже завжди поглинаються двома атомами кисню, які в результаті перетворюються на негативно заряджені іони. У підсумку цього майже в усіх гірських породах є сполуки з міцними кремнієво-кисневими зв’язками, як от кварц, або SiO2 – поєднання одного атому кремнію із двома атомами кисню. Тверді прозорі зерна кварцу існують з давніх-давен. Вони незліченними трильйонами прикрашають узбережжя, адже кварц – найпоширеніший мінерал надбережного піску. Можливо, ви бачили такі гарні, добре грановані прозорі кристали кварцу, що продають в езотеричних магазинах як «кристали сили». Тримаючи в руках такий скарб, ви, фактично, тримаєте кисень, який складає дві третини кварцу.

Кристали із кремнієво-кисневими зв’язками, які називають силікатами, є найтиповішими мінералами на Землі – наразі відомо більше ніж тринадцять тисяч різновидів силікатів (і майже щомісяця додаються нові). Багатство кремнієво-кисневих зв’язків спричинило розмаїття атомних структур з різними властивостями, як-от у міцній і атмосферостійкій структурі кварцу та польового шпату або в гронах блискучого зеленого олівіну чи червоного гранату (напівкоштовних оберегах народжених у серпні та січні, відповідно), чи голчастих габітусах із силоксановим зв’язком деяких сумновідомих форм азбесту, чи тонких і пласких мінералах, наприклад, слюді, яку колись використовували як дешевий замінник віконного скла.

Кальцій, магній та алюміній, хоча вони й не такі поширені, як-от кремній, відіграють ключову роль у структурі більшості типових силікатних гірських порід, розповсюджених в корі та мантії Землі. Це позитивно заряджені іони, і подібно до своїх «кузенів» (силікатів), що зустрічаються доволі часто, вони також подекуди об’єднуються з киснем, утворюючи оксид кальцію, відомий як негашене вапно; оксид магнію, а також рубін і сапфір (коли оксид алюмінію поєднаний з незначною кількістю таких рідкісних елементів, як-от хром чи титан).

Найгнучкішим елементом є залізо – останній з великої шістки. Решта п’ять – кисень, кремній, алюміній, магній та кальцій – мають однакову домінуючу хімічну особистість. Кисень майже завжди є акцептором двох електронів, кремній, фактично завжди, – донором чотирьох електронів, алюміній – донором трьох електронів, а магній і кальцій – донори двох. Проте залізо, двадцять шостий елемент, відіграє три абсолютно різні хімічні ролі.

Багатошарова структура Землі демонструє нам різноманіття заліза. Кожним десятим атомом у багатій на кисень земній корі та мантії є залізо, а металеве ядро планети містить більш ніж 90 відсотків заліза. Цей разючий контраст можна пояснити тим, що в цього елемента двадцять шість електронів, а це дуже далеко від числа вісімнадцять, найближчого магічного числа, і це робить залізо найкращим у своєму роді донором електронів. Залізо ніяк не може віддати свої вісім електронів (жоден атом так багато не прийме), тож йому лишається обходитися тим акцептором, який у цей момент є поруч.

Подекуди залізо поводиться подібно магнію та віддає два електрони, стаючи іоном із зарядом +2. У такому двовалентному стані залізо надає більшості мінералів та інших хімічних сполук характерного зеленкуватого чи блакитного кольору. Типовий зелений колір дорогоцінного каменю перидоту (олівін з домішком заліза) та блакитно-зелений відтінок бідної на кисень крові, що тече у ваших венах, є красномовним свідченням наявності двовалентного заліза. Останнє об’єднується з киснем в пропорції один до одного. І, оскільки атоми магнію та заліза мають однаковий розмір, ці елементи часто взаємозамінні в найрозповсюдженіших мінералах земної кори та мантії. Деякі найпоширеніші мінерали, серед них олівін, гранат, піроксен та слюда, мають різновиди залежно від пропорції в них магнію та заліза – від безколірних видів, у яких 100 відсотків магнію, до темнозабарвлених із 100 відсотками двовалентного заліза.

Однак залізо не обмежується станом +2. За наявності великої кількості акцепторів електронів воно з готовністю віддає третій електрон, перетворюючись на іон із зарядом +3. Ця тривалентна форма заліза надає сполукам характерного червонувато-цегляного кольору. Червона іржа, червонозем, червона цегла та насичена киснем червона кров завдячують своїми яскравими відтінками тривалентному залізу. Як і алюміній, що також набуває стану +3, тривалентне залізо об’єднується з киснем в пропорції два до трьох, утворюючи Fe2O3 – типовий мінерал, що називають гематитом через його криваво-червоний колір. Як і магній, що часто заміняє залізо у двовалентних сполуках, алюміній теж нерідко заміняє тривалентний варіант заліза. У таких мінералах, як-от гранат, амфібол та слюда, можливі найрізноманітніші співвідношення алюмінію та заліза, при цьому в багатих залізом різновидах червоний колір домінує над зеленим.

Отже, із цим надзвичайно корисним трюком перемикання зі стану +2 в стан +3 та навпаки (ми повернемося до цього дивовижного вміння через декілька мільярдів років, коли на сцені вперше з’явиться життя) залізо у своїй двовалентній та тривалентній личині поводить себе так само, як і решта членів великої шістки. Постривайте-но, залізо відіграє на Землі ще одну істотну роль: воно з легкістю може формувати метал.

Більша частина хімічних сполук, про які вже йшлося, передбачає обмін електронами, унаслідок чого утворюються іони. Алюміній, магній, кальцій та залізо віддають електрони; кисень відбирає їх. І тому такі хімічні зв’язки називають іонними. Проте атоми металів обирають іншу стратегію об’єднання. У металі кожний атом віддає один або декілька електронів і отримує позитивний заряд. Однак ці безправні електрони вештаються в’язким, негативно зарядженим морем, яке утримують позитивно заряджені іони, наче чітко вишикувані дробинки в мелясі. Залізо у формі металу – це безліч іонів заліза, які спільно володіють такими делокалізованими електронами.

Наслідки цієї комунальної власності доволі значні. По-перше, усі ці спільні електрони можуть вільно пересуватися, тому метали є чудовими провідниками струму (а струм – це не що інше, як керований потік електронів). На відміну від цього металічного зв’язку, в іонному, який формують іони кисню та магнію чи кисню та алюмінію, кожен електрон закріплений на своєму місці настільки жорстко, що потік електронів просто неможливий. По-друге, наслідком металічного зв’язку є те, що речовини радше згинаються, ніж ламаються. Море електронів, яке обступає іони, можна згортати чи скручувати і при цьому воно не втрачатиме своєї спільної моці, на відміну від більшості крихких порід та мінералів.

Уважний читач вже помітив, що не тільки залізо вміє виконувати цей металоутворювальний трюк. Бляшанки з алюмінію, фольга та електродріт є повсюдно; сплави з металевого магнію є основою для високотехнологічних перегонових автомобілів та схожих іграшок; а напівметали на основі кремнію (хімічна назва якого силіцій) є в усіх електронних ґаджетах (звідси й Кремнієва, або Силіконова долина). Проте металевий алюміній, магній чи кремній – це сучасне чудо хімічної індустрії. Щоб відділити ці вперті елементи від кисню, треба витратити неабияку енергію, а їхній металевий стан майже ніколи не зустрічається в природі.

Залізо значно менше віддане кисню і більш непостійне у своїх хімічних зв’язках. На відміну від кремнію, алюмінію, магнію та кальцію, воно з безмежною радістю об’єднується з іншими акцепторами електронів, зокрема із сіркою – сульфід заліза є лискучим піритом, який також називають «золотом дурня». На противагу решті елементів, залізо з легкістю формує щільний метал, який осідає в глибинах планет та утворює їхні масивні ядра.

Розплавлена Земля

Велика шістка елементів, кожен із яких є неминучим результатом еволюції вибухових зірок та планет земної групи, також відповідальна за найпоширеніші на Землі гірські породи. Їхні характерні хімічні властивості підготували для нашої планети необоротний курс, який шляхами перетворень привів нас до сучасного світу. Але перш ніж сформувалися гірські породи, Земля мала остигнути.

Уявіть-но собі ще раз ті буремні роки опісля формування Місяця внаслідок Потужного удару. Впродовж декількох днів чи навіть тижнів усе ще не було зрозуміло, що саме стане Землею, а що – Місяцем. Твердої поверхні в ті пост-Тейїстичні дні не було ні в планети, ні в супутника. Обидві кулі-сусідки оточували океани багряної магми, бурливої та розпеченої, а зверху періщив розжарений дощ розплавленого кремнію – температура сягала тисяч градусів.

Коли в повітрі не стало й духу Тейї, жар, наче з горна, почав поширюватися від Землі, здіймаючись у холодний вакуум космосу, невпинно остуджуючи зовнішню оболонку планети. І все ж космічні сили змовилися, щоб ще трохи зберегти поверхню Землі розплавленою. Великі астероїди продовжували обстріл планети. Кожне зіткнення додавало теплової енергії, перегріваючи район удару та перешкоджаючи будь-якій спробі утворити стійку кору. Потужні припливні сили сусіднього Місяця, зумовлені гравітацією, теж сприяли збереженню рідкого стану поверхні Землі, оскільки екваторіальна випуклість вируючої магми котилася планетою кожні п’ять годин, розбиваючи будь-яке впорядкування тоненької, твердої оболонки. Багатий запас високорадіоактивних елементів Землі – як недовговічних екзотермічних ізотопів алюмінію та вольфраму, так і довговічних радіоактивних ізотопів урану, торію та калію – сприяв розжарюванню. Та й юна атмосфера, яка все ще зростала, розігріта парами вулканічних викидів, багатих на вуглекислий газ та воду, певно, посилювала ці явища, створюючи «суперпарниковий» ефект.

Невідомо, скільки часу минуло, – можливо, сотні, а може, й тисячі років – одна геологічна мить, – доки поверхня Землі лишалася розплавленою. Однак вона мала охолонути та затверднути, і це було визначено наперед. Другий закон термодинаміки стверджує, що розпечені тіла, що не мають джерела зовнішньої енергії, обов’язково охолоджуються, і чим гарячіший об’єкт, тим вища швидкість охолодження.

Передавання тепла відбувається завдяки трьом відомим механізмам. По-перше, це теплопровідність. Коли гарячіший об’єкт торкається холоднішого, тепло перетікає від гарячого до холодного. Цей процес до болю зрозумілий, якщо ви коли-небудь обпікали ноги, крокуючи по розпеченому сонцем асфальту, або ж торкались конфорки – і у вас на пальцях з’являвся пухирець – є результатом постійного коливання атомів. У гарячих об’єктах атоми поводяться значно бурхливіше, ніж у холодних. Коли холодний об’єкт із атомами, що повільно коливаються, торкається гарячого об’єкта з нестримними атомами, дещиця цього буйства передається при зіткненнях від одного атома до іншого. Дотик до гарячого предмета може пошкодити молекули вашої шкіри, вбити її клітини та спричинити опік. Теплопровідність – це чудовий спосіб локально передавати тепло від одного об’єкта до іншого, що перебуває по сусідству, проте в планетарному масштабі таке передавання тепла – погана ідея. Надто багато часу іде на передавання тепла від одного атома, що коливається, до іншого.

Конвекція, коли групи гарячих атомів великими об’ємами переносять тепло, значно краще охолоджує планети. Ви знаєте про конвекцію з власного досвіду нагрівання води. Налийте в каструлю воду, увімкніть газ та зачекайте. Спочатку процес відбуватиметься повільно, адже, нагріваючись, каструля передаватиме тепло холодній воді в процесі теплопровідності – коливання за коливанням, атоми металів у каструлі наштовхуються на атоми води. Проте незабаром інший механізм вступає в дію. Нагрітий об’єм води з дна каструлі починає розширюватися та підніматися крізь холоднішу щільнішу воду до поверхні, масово передаючи тепло вгору. Водночас холодніші щільніші верхні шари опускаються на гаряче дно. Усе швидше та швидше відбувається теплообмін, шари води піднімаються та опускаються, доки вода не почне клекотливо кипіти. У результаті конвекційного потоку гарячої води, що підіймається, та холодної води, що опускається, великий об’єм води розповсюджує тепло у всьому обсязі рідини у стрімкому та ефективному танку.

У великих масштабах Землі процес конвекції відбувається безперервно – у прохолодних берегових бризах у спекотний літній день, у великих океанічних течіях від Екватора до Арктики, в буремних грозових фронтах із блискавицями, в нестерпно гарячих джерелах та струменистих гейзерах. Те ж відбувається в надрах Землі, де гарячі спресовані породи стають схожими на іриски, м’якнуть та впродовж мільйонів років повільно собі пливуть. Холодніші щільніші гірські породи з поверхні пірнають на дно, тоді як гарячіші та менш щільні породи випливають на їхнє місце. Протягом усієї історії Землі конвекція була основним рушієм планетарного охолодження.

Третім механізмом передавання тепла є теплове випромінювання. Будь-який гарячий об’єкт виділяє тепло в холодніше середовище у формі інфрачервоного випромінювання, яке у вакуумі долає 299 338 км за секунду. Ця знайома всім форма енергії (яскраво виявляє себе, коли ви собі відпочиваєте, всотуючи промінці яскравого сонця) схожа на хвилі видимого світла (однак теплове випромінювання відрізняється довшими хвилями). Ймовірно, найочевиднішим джерелом енергії інфрачервоного випромінювання є Сонце, яке купає Землю в інфрачервоному промінні, що долають космічний вакуум десь за 8,3 хвилини. Іншими прикладами є електричний обігрівач, вогонь в каміні або ж добре знані радіатори водяного опалення. Кожний нагрітий об’єкт випромінює тепло в холодніше середовище. Наше тіло не є винятком. Саме тому в переповненій аудиторії може стати аж так душно – кожна людина виділяє стільки тепла, скільки і лампочка на сто ват, – цей факт легко перевірити, надівши окуляри нічного бачення. Крізь них видно, що люди та тварини яскраво світяться в темряві, поширюючи інфрачервоне випромінення.

Інтенсивність тепловіддачі в результаті теплопровідності, конвекції чи випромінювання залежить від різниці температур між гарячішими та холоднішими об’єктами. Теплопровідність відбувається швидше, конвекція – енергійніше, а випромінювання – значно сильніше, якщо різниця температур велика. Земля – тепла планета. Обертаючись довкола Сонця в холоднечі простору, вона постійно випромінює в космос тепло. Однак розпечена до багрянцю пост-Тейїстична Земля викидала надлишок теплової енергії з такою швидкістю, що в наші дні важко собі й уявити. Вона буквально палала в чорній порожнечі космосу.

Перші гірські породи

Беручи до уваги колосальну втрату тепла, яке розсіялося в космосі, неминучим стало формування твердої земної кори. Очевидно, десь біля одного з полюсів Землі, який не так сильно страждав від припливних хвиль, розплавлена поверхня остигла настільки, щоб утворилися перші кристали. Проте процес охолодження та кристалізації був не таким вже й простим. Більшість звичайних речовин мають чітко визначену температуру, точку замерзання. Рідка вода кристалізується при температурі 0 °C, сріблястий метал ртуть – при 38,8 °C, а етанол (звичайний питний спирт) – при 117 °C. Проте з магмою все по-іншому. Вона цікава тим, що не має єдиної точки замерзання (хоча говорити про точку замерзання в контексті магми з температурою понад 1371 °C – це абсолютний оксиморон).

Розпочнемо одразу ж із пост-Тейїстичної геєни, що панувала 4,5 млрд років тому, в час, коли Земля та Місяць ділили атмосферу сяючого силікатного пару, а температура стояла понад 5000 °С. Той пекельний природний газ швидко охолоджувався та врешті-решт конденсувався в крапельки і поливався магматичним дощем на щойно створені світи-близнюки, температура яких невпинно знижувалася до 3000°, 2000°, а згодом і 1000°. Саме тоді почали формуватися перші кристали.

Такі історії про виникнення перших гірських порід на Землі є науковою прерогативою петрологів-експерименталістів, чоловіків та жінок, які винаходять все нові й нові лабораторні методи, щоб нагрівати та стискати гірські породи, наслідуючи умови земних надр. Спроби дізнатися таємниці походження гірського каміння мають два види технічних складнощів. Насамперед вам необхідно контролювати надміру високі температури в тисячі градусів, набагато вищі, ніж у будь-якій духовці чи пічці у вас вдома. Для цього науковці застосовують платиновий дріт, ретельно намотаний на кілька котушок, через нього вони пропускають сильний електричний струм, щоб досягти екстремальних температур. Далі – важче: такі температури мають зберігатися, коли тиск у зразках перевищує десятки і сотні тисяч атмосфер. Для виконання такого завдання дослідники використовують гігантські гідравлічні преси або преси інших конструкцій.

Ось вже понад століття в Геофізичній лабораторії Інституту Карнеґі, моєму рідному науковому домі, тривають героїчні пошуки глибинних істин Землі. Мені випала щаслива нагода певний час працювати пліч-о-пліч із Гаттеном С. Йодером-молодшим, одним із піонерів експериментальної петрології та найкращим у світі експертом із походження базальтів. Це було незадовго до його передчасної смерті на лікарняному ліжку. Йодер – імпозантний, енергійний, уважний і сповнений ентузіазму – буквально велет у своїй галузі. Під час Другої світової війни він був офіцером військово-морських сил США, саме тоді він близько познайомився із гігантськими металевими механізмами. У 1950-х роках він приєднався до Геофізичної лабораторії, де використовував стволи корабельних гармат і броню, які лишились після війни і ще навіть зберегли свій сталево-сірий колір, для створення лабораторії високого тиску, яка стала підґрунтям його півстолітньої кар’єри і розширила розуміння землі під нашими ногами.

Центральним елементом конструкції Йодера була «бомба» – масивний сталевий циліндр із зовнішнім діаметром 30 см, внутрішнім – 2,54 см і довжиною 50,8 см. Один кінець «бомби» приєднувався до ряду насосів, компресорів та посилювачів тиску, що створювали вражаючі 12 000 атмосфер – такий приголомшливий тиск існує на глибині 40 км під поверхнею Землі – еквівалент вибуху динамітної шашки. На другому кінці був тридцятисантиметровий контейнер для зразків гірських порід та гігантська шестигранна гайка діаметром 15 см. Ми герметично закривали цей контейнер, затягуючи гайку метровим ключем вагою в дев’ять кілограмів.

Принадою конструкції Гатта Йодера було те, що ми могли насипати порошкоподібні зразки гірських порід і мінералів у невеликі золоті трубки, помістити їх у циліндричний нагрівач і залишити весь пристрій всередині барокамери-бомби. Після цього ми могли створити тиск, увімкнути електричний нагрівач, а далі пристрій виконував всю роботу за нас. Для кожної експериментальної роботи треба було шість маленьких золотих трубок; процес тривав від декількох хвилин до декількох днів. Чудовий винахід Гатта Йодера був ідеальним для вивчення еволюції гірських порід у корі та верхній мантії Землі.

Гатт Йодер разом з колегами виявив, що розплав, який містив елементи з великої шістки, зазвичай починав тверднути, утворюючи кристали силікату магнію – олівіну – при охолодженні до 1482 °С. Протягом того далекого періоду охолодження на Землі, і на Місяці у магмі почали формуватися дивовижної краси крихітні зелені кристали, наче мікроскопічне насіння, що збільшувалося до розмірів дробинок, горошин, виноградин. Однак олівін зазвичай щільніший за рідину, в якій він формується, тож ті перші кристали тонули, і чим більшими вони зростали, тим швидше йшли на дно, нагромаджуючись у велетенську щільну масу майже чистих кристалів, утворюючи вражаючу зеленаву породу – дуніт. Сьогодні на Землі мало де можна знайти цю гірську породу, вона опиняється на поверхні лише в ті рідкісні моменти, коли горотвірні процеси здимання та ерозії відкривають щільні скупчення олівіну, утворені глибоко під Землею.

Безперервне занурення кристалів олівіну поступово змінювало магму, яка холола в глибинах Землі та Місяця. Гарячі розплави змінили структуру, поступово втрачаючи магній, а концентрація кальцію та алюмінію відповідно збільшувалася. На Місяці, де океан магми потроху охолоджувався, почав утворюватися другий мінерал – анортит, або польовий шпат, що складається із силікату алюмінію та кальцію. Він кристалізувався одночасно з олівіном, утворюючи бліді блоки. На відміну від олівіну, анортит має меншу щільність, ніж рідина навколо, тож він тримається на поверхні. На Місяці величезна кількість анортиту утворила колосальну кору з пливких хребтів, що здіймалися на шість кілометрів над розплавленою поверхнею. Ця білясто-сіра маса становить 65 % срібнолицього Місяця і має назву Місячного нагір’я. Повстале прямісінько з океану магми, воно є найстарішим відомим геологічним утворенням. Аналіз зразків, отриманих за програмою «Аполлон», вказує на значний вік анортитів від молодих порід віком у 3,9 млрд років і аж до найдавніших у 4,5 млрд років, що виникли майже одразу після Потужного удару.

Дещо інший сценарій розгортався на Землі, де вологість була вища, океани магми глибші і, відповідно, чималі внутрішні температура і тиск. Невелика кількість анортитів, ймовірно, кристалізувалася на початку історії Землі десь майже на її поверхні, де тиск не такий високий, проте цей мінерал був малозначний. Натомість з надлишком утворився багатий на магній піроксен, найтиповіший силікат, який, змішавшись із олівіном, сформував товсту кристалічну шугу. Саме так найпершими мінералами Землі стали здебільшого олівін та піроксен у формі твердої зеленкувато-чорної гірської породи, яку називають перидотит. Його різновиди почали формуватися на глибині 80 км під поверхнею Землі, мабуть десь 4,5 млрд років тому, й продовжували рости багато сотень мільйонів років.

Не зважаючи на первинний надлишок перидотиту, у наш час він теж є доволі рідкісною породою на поверхні. Цей дефіцит пояснює однин з переконливих сценаріїв, коли сила-силенна перидотиту кристалізувалася й остигла, утворивши першу короткочасну тверду поверхню Землі, проте кристалічний перидотит, як і його попередник дуніт, має значно більшу щільність, ніж гарячий океан магми, в якому він формувався. Тож верхній шар перидотиту тріскав, гнувся і занурювався в мантію, витісняючи на поверхню магму, яка холола і знову формувала перидотит. Упродовж сотень мільйонів років дещо затвердла і сама мантія, поступово перетворившись на таку собі конвеєрну стрічку для транспортування перидотиту з восьмидесятикілометрових глибин. Співвідношення між щільним перидотитом та магмою збільшувалося, аж доки верхній шар магми не перетворився на тверду олівін-піроксинову породу.

Уся правда про ядро

Під земною корою на глибині приблизно від 80 до 300 км охолодження та кристалізація мантії відбувалися у схожий спосіб, хоча й дещо повільніше. Деталі того процесу лишаються неясними, – щоб розв’язати це питання, необхідно мати ультрасучасне обладнання, яке витримує високі тиск і температуру, проте відокремлення кристалів із розплавів у процесі занурення та виринання, очевидно, відіграло таку ж важливу роль, як і у верхніх шарах магми.

Більшість з того, що нам відомо про ці приховані глибинні процеси, ми отримали завдяки сейсмології, науці, що вивчає поширення звукових хвиль в надрах планети. Земля безперервно бамкає і теленькає: нищівні припливи, гуркітливий транспорт та великі й малі землетруси – всі вони об’єднують сили, щоб сколихнути Землю й поширити сейсмічні хвилі. Подібно відлунню звукових хвиль у каньйонах зі стрімчастими стінами, сейсмічні хвилі відлунюють, коли раптово наштовхуються на поверхню шару з новими властивостями. Дослідження сейсмічних хвиль показало, що надра Землі складаються з багатьох шарів.

На загальному структурному рівні Земля складається з трьох шарів – тонка кора з низькою щільністю на поверхні, товстий шар мантії з високою щільністю нижче і ще товстіше і надщільне металеве ядро в центрі. Кожна з цих трьох структур має свою систему шарів. Мантія, наприклад, складається з трьох рівнів – верхньої мантії, перехідної зони і нижньої мантії. Верхня мантія, в якій багато перидотиту, простягається вглиб майже на 400 км, де тиск змушує атоми олівіну утворювати щільнішу модифікацію – кристали силікату, який називають вадслеїт, мінерал, який домінує в перехідній зоні мантії. Нижня мантія, шар якої сягає 240 км, має ще щільніші формації силікатів магнію. Тиск у нижній мантії настільки великий (у сотні тисяч разів більше поверхневого), що в кремнієво-кисневих зв’язках атоми розташовуються значно щільніше, утворюючи перовськіт.

Сейсмічні спостереження допомагають визначити природу та протяжність кожного із цих мінералогічних шарів мантії, і виявляється, що перехід від одного шару до іншого є доволі чітким. Точна глибина переходів залежно від місця (наприклад, під континентами чи під океанами) варіюється від 16 до 32 км, але ці межі завжди є відносно чіткими і стабільними. Втім, сейсмологія надає дивовижні докази, які свідчать, що кордон ядро—мантія є дуже складною зоною, яка значно відрізняється від чіткої мантійно-мантійної межі. У першому наближенні кордон між ядром та мантією породжує очікувану сильну луну. Дійсно різниця щільності силікатної мантії та металевого ядра є настільки великою, що створює межу настільки ж різку, як і між повітрям та водою, – спричинюючи надзвичайно потужний сейсмічний сигнал із надр Землі. Понад століття тому цей поділ став однією з перших відкритих сейсмологами таємниць, що приховують від нас глибини Землі.

Ідеально чітка межа мала би дати явне сфокусоване сейсмічне відображення – відлуння, що на сейсмографі позначилося би характерним стрибком. Проте сейсмічні сигнали, які відбиваються від межі між ядром та мантією, зазвичай нечіткі, розмиті та уривчасті. Глибоко на дні є ще одна структура, схожа на нерівні брили чи купи уламків. Геофізики не вирізняються любов’ю до створення яскравих термінів, які одразу ж легко запам’ятовуються, тож назвали цю горбкувату хаотичну зону шаром D″ (D зі знаком секунди)[9]